MIT의 Schuh Group에서 개발 중인 새로운 텅스텐 합금은 잠재적으로 장갑 관통 발사체의 고갈 우라늄을 대체할 수 있습니다. 4년차 재료 과학 및 공학 대학원생 Zachary C. Cordero는 군사 구조 응용 분야에서 열화 우라늄을 대체하기 위한 저독성, 고강도, 고밀도 재료를 연구하고 있습니다. 열화우라늄은 군인과 민간인의 건강에 잠재적인 위험을 초래합니다. Cordero는 “이것이 교체를 시도하는 동기입니다.”라고 말합니다.

일반 텅스텐은 충격을 받으면 버섯 모양으로 변하거나 둔해지며, 이는 최악의 성능을 발휘합니다. 따라서 도전 과제는 열화 우라늄의 성능과 일치할 수 있는 합금을 개발하는 것입니다. 이 열화 우라늄은 재료를 잘라내면서 자체적으로 날카로워지고 관통자-표적 경계면에서 날카로운 코를 유지합니다. “텅스텐 자체는 매우 강하고 단단합니다. 우리는 이 벌크 물체에 통합할 수 있도록 다른 합금 요소를 넣어서 만들었습니다.”라고 Cordero는 말합니다.

Cordero는 금속공학 및 재료 저널의 수석 저자이자 재료 과학 및 공학부 책임자인 Christopher A. Schuh와 동료들과 함께 논문에서 크롬과 철(W-7Cr-9Fe)을 함유한 텅스텐 합금이 상업용 텅스텐 합금보다 훨씬 더 강하다고 보고했습니다. 거래 A. 현장 보조 소결 핫 프레스에서 금속 분말을 압축하여 개선이 이루어졌으며, 미세한 입자 구조와 최고 경도로 측정한 결과가 가장 좋았습니다. 섭씨 1,200도에서 1분의 처리 시간. 처리 시간이 길어지고 온도가 높아지면 입자가 거칠어지고 기계적 성능이 약해집니다. 공동 저자로는 MIT 공학 및 재료 과학 대학원생 박만수, Oak Ridge 박사후 연구원 Emily L. Huskins, 보이시 주립대 부교수 Megan Frary 및 대학원생 Steven Livers, 육군 연구소 기계 엔지니어이자 팀 리더인 Brian E. Schuster가 있습니다. 텅스텐-크롬-철 합금에 대한 하위 규모 탄도 테스트도 수행되었습니다.

"만약 나노 구조 또는 비정질 벌크 텅스텐(합금)을 만들 수 있다면 그것은 정말 이상적인 탄도 재료가 될 것입니다"라고 Cordero는 말합니다. 뉴저지 주 브리지워터 출신인 Cordero는 2012년에 공군 과학 연구실을 통해 국방 과학 및 공학(NDSEG) 펠로우십을 받았습니다. 그의 연구는 미국 국방위협경감국(Defense Threat Reduction Agency)의 자금 지원을 받고 있습니다.

초미립자 구조

“내가 재료를 만드는 방법은 먼저 나노결정질 분말을 만든 다음 이를 벌크 물체로 통합하는 분말 가공을 사용하는 것입니다. 그러나 문제는 강화를 위해서는 재료를 더 높은 온도에 노출시켜야 한다는 것입니다.”라고 Cordero는 말합니다. 합금을 고온으로 가열하면 금속 내의 입자 또는 개별 결정 영역이 확대되어 약화될 수 있습니다. Cordero는 W-7Cr-9Fe 컴팩트에서 약 130nm의 초미세 입자 구조를 달성할 수 있었으며 이는 전자현미경 사진으로 확인되었습니다. “이 분말 가공 경로를 사용하면 직경이 최대 2cm에 달하는 큰 샘플을 만들 수도 있고, 4GPa(기가파스칼)의 동적 압축 강도로 더 큰 샘플을 만들 수도 있습니다. 확장 가능한 프로세스를 사용하여 이러한 재료를 만들 수 있다는 사실은 아마도 훨씬 더 인상적일 것입니다.”라고 Cordero는 말합니다.

“우리가 그룹으로서 하려고 하는 것은 미세한 나노구조로 대량의 물건을 만드는 것입니다. 우리가 원하는 이유는 이러한 재료가 많은 응용 분야에서 잠재적으로 사용될 수 있는 매우 흥미로운 특성을 갖고 있기 때문입니다.”라고 Cordero는 덧붙입니다.

자연에서는 발견되지 않음

Cordero는 또한 Acta Materialia 저널 논문에서 나노 규모 미세 구조를 갖는 금속 합금 분말의 강도를 조사했습니다. 수석 저자 Schuh와 함께 Cordero는 계산 시뮬레이션과 실험실 실험을 모두 사용하여 유사한 초기 강도를 갖는 텅스텐 및 크롬과 같은 금속 합금이 균질화되고 더 강한 최종 제품을 생성하는 경향이 있는 반면, 초기 강도 불일치가 큰 금속 조합은 텅스텐과 지르코늄은 둘 이상의 상이 존재하는 더 약한 합금을 생성하는 경향이 있기 때문입니다.

“고에너지 볼 밀링 공정은 재료를 완전히 변형시켜 미세 구조를 이상한 비평형 상태로 만드는 대규모 공정 계열의 한 예입니다. 실제로 나타나는 미세 구조를 예측하기 위한 좋은 프레임워크가 없기 때문에 많은 경우 시행착오를 겪게 됩니다. 우리는 비평형 단계의 한 예인 준안정 고용체를 형성할 합금 설계에서 경험주의를 제거하려고 노력했습니다.”라고 Cordero는 설명합니다.

“이러한 극단적인 변형 과정을 사용하면 자연계에서 일반적으로 볼 수 없는 비평형 단계를 생성할 수 있습니다.”라고 그는 말합니다. 고에너지 볼 밀링 공정에는 금속 분말의 반복적인 전단이 포함되며, 전단으로 인해 합금 원소가 서로 혼합되는 동시에 열 활성화 회수 공정을 통해 합금이 평형 상태로 돌아갈 수 있으며, 이는 많은 경우 상분리됩니다. . Cordero는 “따라서 이 두 프로세스 간에 경쟁이 존재합니다.”라고 설명합니다. 그의 논문은 고용체를 형성할 특정 합금의 화학을 예측하고 실험을 통해 이를 검증하는 간단한 모델을 제안했습니다. Cordero는 “가공된 분말은 사람들이 본 것 중 가장 단단한 금속 중 일부입니다.”라고 말하며 테스트 결과 텅스텐-크롬 합금의 나노압입 경도가 21GPa인 것으로 나타났습니다. 이는 나노결정질 철 기반 합금이나 거친 입자 텅스텐의 나노압입 경도의 약 두 배입니다.

야금에는 유연성이 필요합니다

그가 연구한 초미립자 텅스텐-크롬-철 합금 컴팩트에서 합금은 고에너지 볼 밀링 중에 강철 분쇄 매체와 바이알의 마모로 인해 철을 흡수했습니다. "그러나 그것은 또한 일종의 좋은 일이 될 수 있는 것으로 밝혀졌습니다. 왜냐하면 저온에서 치밀화를 가속화하여 미세 구조의 나쁜 변화를 초래할 수 있는 고온에서 소비해야 하는 시간을 줄여주기 때문입니다." Cordero는 설명합니다. "가장 중요한 것은 유연성을 갖고 야금 분야의 기회를 인식하는 것입니다."

Cordero는 2010년 MIT에서 물리학 학사 학위를 취득하고 Lawrence Berkeley 국립 연구소에서 1년간 근무했습니다. 그곳에서 그는 제2차 세계 대전 중 맨해튼 프로젝트를 위해 플루토늄을 담을 특수 도가니를 만든 이전 세대의 야금학자로부터 배운 엔지니어링 직원으로부터 영감을 받았습니다. “그들이 작업하고 있는 내용을 듣고 금속 가공에 대해 매우 흥미를 느끼고 관심을 갖게 되었습니다. 또한 정말 재미있습니다.”라고 Cordero는 말합니다. 다른 재료 과학 하위 분야에서 그는 이렇게 말합니다. “1,000°C의 용광로를 열고 빨갛게 뜨겁게 빛나는 무언가를 볼 수는 없습니다. 재료를 열처리할 필요가 없습니다.” 그는 2015년에 박사 학위를 마칠 예정이다.

현재 그의 작업은 구조적 응용에 초점을 맞추고 있지만 그가 하고 있는 분말 가공은 자성 재료를 만드는 데에도 사용됩니다. “많은 정보와 지식이 다른 것에 적용될 수 있습니다.”라고 그는 말합니다. "이것은 전통적인 구조적 야금학이지만, 이 구식 야금학을 새로운 학파의 재료에 적용할 수 있습니다."