MIT-дегі Schuh тобында әзірленетін жаңа вольфрам қорытпалары броньды тесіп өтетін снарядтардағы таусылған уранды алмастыруы мүмкін. Төртінші курс материалтану және инженерия аспиранты Захари С. Кордеро құрылымдық әскери қолданбаларда таусылған уранды алмастыру үшін төмен уыттылық, жоғары беріктік, жоғары тығыздықтағы материалмен жұмыс істейді. Таусылған уран әскерилер мен бейбіт тұрғындардың денсаулығына әлеуетті қауіп төндіреді. Кордеро: «Бұл оны ауыстыруға тырысатын мотивация», - дейді.

Қалыпты вольфрам соқтығысқанда саңырауқұлақтайды немесе тұншығады, бұл ең нашар өнімділік. Сондықтан материалды кесіп тастаған кезде өздігінен қайрайтын және енетін-мақсат интерфейсінде өткір мұрынды сақтайтын таусылған уранның өнімділігіне сәйкес келетін қорытпаны жасау міндеті тұр. «Вольфрам өздігінен өте күшті және қатты. Біз оны осы көлемді нысанға біріктіру үшін оны жасау үшін басқа легирленген элементтерді саламыз », - дейді Кордеро.

Хром және темір (W-7Cr-9Fe) бар вольфрам қорытпасы коммерциялық вольфрам қорытпаларына қарағанда айтарлықтай күшті болды, деп Cordero аға авторы және Материалтану және инженерия департаментінің басшысы Кристофер А. Шух және Metallurgical and Materials журналындағы әріптестерімен бірге мақаласында хабарлады. Транзакциялар A. Жақсартуға металл ұнтақтарын далада қолданылатын агломерациялық ыстық престе нығыздау арқылы қол жеткізілді. 1200 градус Цельсий температурасында 1 минуттық өңдеу уақытында қол жеткізілген ұсақ түйіршік құрылымымен және ең жоғары қаттылықпен өлшенетін ең жақсы нәтиже. Ұзақ өңдеу уақыттары мен жоғары температура дәндердің іріленуіне және механикалық өнімділіктің төмендеуіне әкелді. Бірлескен авторлар арасында MIT инженериясы және материалтану факультетінің магистранты Мансу Парк, Оук-Ридж университетінің докторантурасының қызметкері Эмили Л. Хускинс, Бойс штатының доценті Меган Фрэри және аспирант Стивен Ливерс, Армия зерттеу зертханасының инженер-механигі және топ жетекшісі Брайан Э. Шустер болды. Вольфрам-хром-темір қорытпасының кіші масштабты баллистикалық сынақтары да орындалды.

«Егер сіз наноқұрылымды немесе аморфты вольфрамды (қорытпа) жасай алсаңыз, ол шынымен де тамаша баллистикалық материал болуы керек», - дейді Кордеро. Кордеро, Бриджуотер, Нью-Йорк штатының тумасы, 2012 жылы Әуе күштерінің ғылыми зерттеулер басқармасы арқылы Ұлттық қорғаныс ғылымы және инженериясы (NDSEG) стипендиясын алды. Оның зерттеулерін АҚШ қорғаныс қатерін азайту агенттігі қаржыландырады.

Өте жұқа дәннің құрылымы

«Материалдарымды ұнтақты өңдеу арқылы жасау әдісі, мұнда алдымен нанокристалды ұнтақ жасап, содан кейін оны жаппай нысанға біріктіреміз. Бірақ қиындық мынада, біріктіру материалды жоғары температураға ұшыратуды талап етеді », - дейді Кордеро. Қорытпаларды жоғары температураға дейін қыздыру металл ішіндегі дәндердің немесе жеке кристалдық домендердің ұлғаюына әкелуі мүмкін, бұл оларды әлсіретеді. Кордеро электронды микрографтармен расталған W-7Cr-9Fe компактінде шамамен 130 нанометрлік өте жұқа дәндік құрылымға қол жеткізе алды. «Осы ұнтақты өңдеу жолын қолдана отырып, біз диаметрі 2 сантиметрге дейінгі үлкен үлгілерді жасай аламыз немесе 4 ГПа (гигапаскаль) динамикалық қысу күші бар үлкенірек бола аламыз. Бұл материалдарды масштабталатын процесс арқылы жасай алатынымыз одан да әсерлі болуы мүмкін », - дейді Кордеро.

«Біз топ ретінде жасауға тырысып жатқан нәрсе - тамаша наноқұрылымдары бар көлемді заттарды жасау. Біздің мұны қалайтын себебіміз - бұл материалдардың көптеген қолданбаларда қолданылуы мүмкін өте қызықты қасиеттері бар», - деп толықтырды Кордеро.

Табиғатта кездеспейді

Кордеро сонымен қатар Acta Materialia журналында наноөлшемді микроқұрылымдары бар металл қорытпаларының ұнтақтарының беріктігін зерттеді. Кордеро аға автор Шухпен бірге вольфрам және хром сияқты металдардың қорытпаларының бастапқы беріктіктері біркелкі болатынын және күшті түпкілікті өнім беретінін көрсету үшін есептеу модельдеулерін де, зертханалық эксперименттерді де қолданды, ал бастапқы беріктігі үлкен металдардың үйлесімі осындай өйткені вольфрам мен цирконий бірнеше фазасы бар әлсіз қорытпаны шығаруға бейім болды.

«Жоғары энергиялы шарларды фрезерлеу процесі материалдың микроқұрылымын оғаш тепе-теңдік емес күйге келтіру үшін оны деформациялайтын процестердің үлкен тобының бір мысалы болып табылады. Шығарылатын микроқұрылымды болжау үшін шынымен жақсы негіз жоқ, сондықтан бұл көп жағдайда сынақ және қате болып табылады. Біз тепе-теңдік емес фазаның бір мысалы болып табылатын метатұрақты қатты ерітіндіні құрайтын қорытпаларды жобалаудан эмпиризмді жоюға тырыстық», - деп түсіндіреді Кордеро.

«Сіз бұл тепе-теңдік емес фазаларды, әдетте айналаңыздағы әлемде, табиғатта көрмейтін нәрселерді, осы шын мәнінде экстремалды деформация процестерін қолдана отырып жасайсыз», - дейді ол. Жоғары энергиялы шарикті фрезерлеу процесі металл ұнтақтарын бірнеше рет кесуді қамтиды, легірлеу элементтерін бәсекелесу кезінде араласуға итермелейді, термиялық белсендірілген қалпына келтіру процестері қорытпаға өзінің тепе-теңдік күйіне оралуға мүмкіндік береді, бұл көптеген жағдайларда фазаға бөлінеді. . «Осы екі процестің арасында бәсекелестік бар», - деп түсіндіреді Кордеро. Оның мақаласы қатты ерітінді құрайтын берілген қорытпадағы химияны болжаудың қарапайым моделін ұсынды және оны эксперименттермен растады. «Ұнтақталған ұнтақтар адамдар көрген ең қатты металдардың бірі», - дейді Кордеро, сынақтар вольфрам-хром қорытпасының 21 ГПа нано шегініс қаттылығы бар екенін көрсеткенін атап өтті. Бұл оларды нанокристалды темір негізіндегі қорытпалардың немесе ірі түйіршікті вольфрамның наноидентациялық қаттылығын екі есеге арттырады.

Металлургия икемділікті талап етеді

Ол зерттеген ультра ұсақ түйіршікті вольфрам-хром-темір қорытпасының нығыздауларында қорытпалар жоғары энергиялы шарикті фрезерлеу кезінде болат ұнтақтау ортасының және флаконның үйкелісінен темірді алды. «Бірақ бұл жақсы нәрсе болуы мүмкін, өйткені ол төмен температурада тығыздауды тездететін сияқты, бұл микроқұрылымдағы нашар өзгерістерге әкелуі мүмкін жоғары температурада жұмсайтын уақытты азайтады», Кордеро түсіндіреді. «Ең бастысы - икемді болу және металлургиядағы мүмкіндіктерді мойындау».

Тығыздалған металл қорытпасының түйіршіктері металдарды өлшеуге арналған қайықта ұнтақталған вольфрам-хром темір металл ұнтақтарының жанында отырады. Болат шарлар жоғары энергиялы шарикті диірмендегі металдарды деформациялау үшін қолданылады. Кредит: Денис Пайст/Материалды өңдеу орталығы
Кордеро 2010 жылы MIT-ті физика бакалавры дәрежесімен бітіріп, Лоуренс Беркли ұлттық зертханасында бір жыл жұмыс істеді. Онда ол Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Манхэттен жобасы үшін плутонийді ұстау үшін арнайы тигельдер жасаған металлургтердің алдыңғы буынынан үйренген инженерлік қызметкерлерден шабыттанды. «Олардың жұмыс істеп жатқанын есту мені қатты толқытты және металдарды өңдеуге құмар болды. Бұл өте қызық», - дейді Кордеро. Басқа материалтану пәндерінде ол былай дейді: «Сіз 1000 C температурада пешті аша алмайсыз және қызыл қызып тұрған нәрсені көре алмайсыз. Сіз заттарды термиялық өңдеуге қол жеткізе алмайсыз ». Ол 2015 жылы PhD дәрежесін алуды жоспарлап отыр.

Оның қазіргі жұмысы құрылымдық қосымшаларға бағытталған болса да, ол жасайтын ұнтақты өңдеу түрі магниттік материалдарды жасау үшін де қолданылады. «Көп ақпарат пен білімді басқа нәрселерге қолдануға болады», - дейді ол. «Бұл дәстүрлі құрылымдық металлургия болса да, сіз бұл ескі металлургияны жаңа мектеп материалдарына қолдана аласыз».