MIT Schuh grupėje kuriami nauji volframo lydiniai gali pakeisti nusodrintą uraną šarvus pradurtuose sviediniuose. Ketvirto kurso medžiagų mokslo ir inžinerijos magistrantūros studentas Zachary C. Cordero dirba su mažai toksiška, didelio stiprio ir didelio tankio medžiaga, skirta pakeisti nusodrintą uraną struktūriniuose kariniuose įrenginiuose. Nusodrintas uranas gali kelti pavojų karių ir civilių žmonių sveikatai. „Tai yra motyvacija bandyti jį pakeisti“, - sako Cordero.

Įprastas volframas nuo smūgio suglebtų arba atbuktų, o tai yra blogiausias įmanomas veikimas. Taigi iššūkis yra sukurti lydinį, kuris atitiktų nusodrintojo urano charakteristikas, kuris tampa savaime galandantis, nes nupjauna medžiagą ir išlaiko aštrią nosį prasiskverbimo ir taikinio sąsajoje. „Volframas pats savaime yra ypač stiprus ir kietas. Įdėjome kitų legiravimo elementų, kad galėtume jį sujungti į šį masinį objektą“, - sako Cordero.

Volframo lydinys su chromu ir geležimi (W-7Cr-9Fe) buvo žymiai stipresnis už komercinius volframo lydinius, Cordero pranešė savo straipsnyje su vyresniuoju autoriumi ir Medžiagų mokslo ir inžinerijos katedros vadovu Christopheriu A. Schuhu bei kolegomis žurnale Metallurgical and Materials. Sandoriai A. Patobulinimas pasiektas sutankinant metalo miltelius karšto sukepinimo presu, naudojant geriausią rezultatas, išmatuotas pagal smulkiagrūdę struktūrą ir didžiausią kietumą, pasiekiamą 1 minutę apdorojant 1200 laipsnių Celsijaus temperatūroje. Ilgesnis apdorojimo laikas ir aukštesnė temperatūra lėmė stambesnius grūdus ir silpnesnes mechanines savybes. Bendraautoriai buvo MIT inžinerijos ir medžiagų mokslo absolventas Mansoo Park, Oak Ridge doktorantas Emily L. Huskins, Boise valstijos docentė Megan Frary ir magistrantas Stevenas Liversas bei Armijos tyrimų laboratorijos mechanikos inžinierius ir komandos vadovas Brianas E. Schusteris. Taip pat buvo atlikti volframo-chromo-geležies lydinio balistiniai bandymai.

„Jei galite pagaminti nanostruktūrinį arba amorfinį volframą (lydinį), tai tikrai turėtų būti ideali balistinė medžiaga“, - sako Cordero. Cordero, kilęs iš Bridgewater, NJ, 2012 m. gavo Nacionalinės gynybos mokslo ir inžinerijos (NDSEG) stipendiją per Oro pajėgų mokslinių tyrimų biurą. Jo tyrimus finansuoja JAV gynybos grėsmių mažinimo agentūra.

Itin smulki grūdelių struktūra

„Aš gaminu savo medžiagas apdorojant miltelius, kai pirmiausia gaminame nanokristalinius miltelius, o tada sujungiame į masinį objektą. Tačiau iššūkis yra tas, kad norint sutvirtinti medžiagą reikia išlaikyti aukštesnę temperatūrą“, - sako Cordero. Kaitinant lydinius iki aukštos temperatūros, metalo grūdeliai arba atskiri kristaliniai domenai gali padidėti, o tai juos susilpnina. „Cordero“ sugebėjo pasiekti itin smulkią maždaug 130 nanometrų grūdėtumo struktūrą kompaktiniame W-7Cr-9Fe, patvirtintą elektroninėmis mikrografijomis. „Naudodami šį miltelių apdorojimo būdą galime pagaminti didelius mėginius iki 2 centimetrų skersmens arba galime padaryti didesnius, kurių dinaminis gniuždymo stiprumas yra 4 GPa (gigapaskaliai). Tai, kad šias medžiagas galime pagaminti naudodami keičiamo dydžio procesą, galbūt dar įspūdingiau“, – sako Cordero.

„Tai, ką mes bandome padaryti kaip grupė, yra sukurti masinius daiktus su puikiomis nanostruktūromis. Priežastis, kodėl to norime, yra ta, kad šios medžiagos turi labai įdomių savybių, kurios gali būti panaudotos daugeliu atvejų“, – priduria Cordero.

Gamtoje nerasta

Cordero taip pat ištyrė metalų lydinių miltelių su nanoskalės mikrostruktūromis stiprumą Acta Materialia žurnale. Cordero kartu su vyresniuoju autoriumi Schuh naudojo skaičiavimo modeliavimą ir laboratorinius eksperimentus, kad parodytų, jog metalų lydiniai, tokie kaip volframas ir chromas, kurių pradinis stiprumas yra panašus, buvo linkę homogenizuotis ir gauti stipresnį galutinį produktą, o metalų deriniai su dideliu pradinio stiprumo neatitikimu, pvz. nes volframas ir cirkonis buvo linkę gaminti silpnesnį lydinį, kuriame yra daugiau nei viena fazė.

„Didelės energijos rutulinio frezavimo procesas yra vienas iš didesnės procesų grupės pavyzdžių, kai medžiaga deformuojama, kad jos mikrostruktūra būtų pakeista į keistą pusiausvyros būseną. Iš tikrųjų nėra geros sistemos, leidžiančios nuspėti atsirandančią mikrostruktūrą, todėl dažnai tai yra bandymai ir klaida. Mes bandėme pašalinti empirizmą kuriant lydinius, kurie sudarys metastabilų kietą tirpalą, o tai yra vienas iš nepusiausvyros fazės pavyzdžių“, – aiškina Cordero.

„Jūs sukuriate šias nepusiausvyros fazes, dalykus, kurių paprastai nepamatytumėte aplinkiniame pasaulyje, gamtoje, naudodami šiuos tikrai ekstremalius deformacijos procesus“, - sako jis. Didelės energijos rutulinio frezavimo procesas apima pakartotinį metalo miltelių kirpimą, o kirpimo metu legiravimo elementai susimaišo, o konkuruojantys termiškai aktyvuojami regeneravimo procesai leidžia lydiniui grįžti į pusiausvyros būseną, kuri daugeliu atvejų yra fazių atskyrimas. . „Taigi yra konkurencija tarp šių dviejų procesų“, - aiškina Cordero. Jo darbe buvo pasiūlytas paprastas modelis, leidžiantis nuspėti tam tikro lydinio chemikalus, kurie sudarys kietą tirpalą, ir patvirtino jį eksperimentais. „Smulkinti milteliai yra vieni iš kiečiausių metalų, kuriuos žmonės matė“, – sako Cordero ir pažymi, kad bandymai parodė, kad volframo ir chromo lydinio nanoįspaudimo kietumas yra 21 GPa. Dėl to jie yra maždaug dvigubai didesni nei nanokristalinių geležies lydinių arba stambiagrūdžio volframo nanoįspaudimo kietumas.

Metalurgija reikalauja lankstumo

Itin smulkių grūdų volframo-chromo-geležies lydinio tankintuvuose, kuriuos jis tyrinėjo, lydiniai paėmė geležį nuo plieno šlifavimo terpės ir buteliuko dilimo atliekant didelės energijos rutulinį frezavimą. "Tačiau pasirodo, kad tai taip pat gali būti geras dalykas, nes atrodo, kad tai pagreitina tankėjimą esant žemai temperatūrai, o tai sumažina laiką, kurį turite praleisti esant tokioms aukštoms temperatūroms, kurios gali sukelti blogus mikrostruktūros pokyčius." Cordero paaiškina. „Svarbiausia yra būti lankstiems ir pripažinti galimybes metalurgijoje.

Sutankintos metalo lydinio granulės yra šalia maltų volframo-chromo geležies metalo miltelių valtyje, naudojamoje metalams sverti. Plieniniai rutuliai naudojami metalams deformuoti didelės energijos rutuliniame malūne. Kreditas: Denisas Paiste/Medžiagų apdorojimo centras
Cordero 2010 m. baigė MIT, įgijo fizikos bakalauro laipsnį ir metus dirbo Lawrence'o Berkeley nacionalinėje laboratorijoje. Ten jį įkvėpė inžinierių darbuotojai, kurie iš ankstesnės kartos metalurgų išmoko gaminti specialius tiglius plutoniui laikyti Manheteno projektui Antrojo pasaulinio karo metais. „Išgirdusi, su kokiais dalykais jie dirba, labai susijaudinau ir pamėgau metalo apdirbimą. Tai taip pat tiesiog labai smagu“, – sako Cordero. Kitose medžiagų mokslo subdisciplinose jis sako: „Negalima atidaryti krosnies 1000 C temperatūroje ir pamatyti kažką raudonai įkaitusio. Jūs negalite termiškai apdoroti dalykų. Jis tikisi baigti daktaro laipsnį 2015 m.

Nors dabartinis jo darbas yra orientuotas į konstrukcinius pritaikymus, miltelių apdorojimas, kurį jis atlieka, taip pat naudojamas magnetinėms medžiagoms gaminti. „Daug informacijos ir žinių galima pritaikyti kitiems dalykams“, – sako jis. „Nors tai yra tradicinė konstrukcinė metalurgija, šią senosios mokyklos metalurgiją galite pritaikyti naujos mokyklos medžiagoms.