Jauni volframa sakausējumi, kas tiek izstrādāti Schuh grupā MIT, varētu potenciāli aizstāt noplicināto urānu bruņu caurduršanas šāviņos. Ceturtā kursa materiālu zinātnes un inženierzinātņu maģistrantūras students Zachary C. Cordero strādā pie zemas toksicitātes, augstas stiprības un augsta blīvuma materiāla, kas paredzēts noplicinātā urāna aizstāšanai strukturālos militāros lietojumos. Noplicināts urāns potenciāli apdraud karavīru un civiliedzīvotāju veselību. "Tā ir motivācija mēģināt to aizstāt," saka Cordero.

Parasts volframs trieciena rezultātā varētu izsīkt vai notrulināt, tas ir vissliktākais iespējamais sniegums. Tāpēc izaicinājums ir izstrādāt sakausējumu, kas atbilstu noplicinātā urāna veiktspējai, kas kļūst pašasasinošs, jo tas nogriež materiālu un saglabā asu degunu penetratora un mērķa saskarnē. “Volframs pats par sevi ir ārkārtīgi stiprs un ciets. Mēs ievietojām citus sakausējuma elementus, lai to izveidotu, lai mēs varētu to apvienot šajā lielapjoma objektā, ”saka Cordero.

Volframa sakausējums ar hromu un dzelzi (W-7Cr-9Fe) bija ievērojami stiprāks nekā komerciālie volframa sakausējumi, Cordero ziņoja rakstā ar vecāko autoru un Materiālzinātnes un inženierzinātņu katedras vadītāju Kristoferu A. Šuhu un kolēģiem žurnālā Metallurgical and Materials. Darījumi A. Uzlabojums tika panākts, saspiežot metāla pulverus karstās aglomerācijas presē uz lauka, un vislabākais rezultāts, mērot smalko graudu struktūru un augstāko cietību, tika sasniegts 1 minūtes apstrādes laikā 1200 grādos pēc Celsija. Ilgāks apstrādes laiks un augstāka temperatūra izraisīja rupjākus graudus un vājāku mehānisko veiktspēju. Līdzautoru vidū bija MIT inženierzinātņu un materiālu zinātnes maģistrantūras students Mansoo Park, Oak Ridge pēcdoktorantūra Emīlija L. Huskinsa, Boisa štata asociētā profesore Megana Freija un maģistrants Stīvens Livers, kā arī Armijas pētniecības laboratorijas mehānikas inženieris un komandas vadītājs Braiens E. Šusters. Ir veikti arī volframa-hroma-dzelzs sakausējuma ballistikas testi.

"Ja jūs varat izgatavot nanostrukturētu vai amorfu volframu (sakausējumu), tam patiešām vajadzētu būt ideālam ballistiskam materiālam," saka Kordero. Kordero, kurš ir dzimis Bridžvoterā, Ņūdžersijā, 2012. gadā saņēma Nacionālās aizsardzības zinātnes un inženierzinātņu (NDSEG) stipendiju, izmantojot Gaisa spēku zinātniskās pētniecības biroju. Viņa pētījumu finansē ASV Aizsardzības draudu samazināšanas aģentūra.

Īpaši smalka graudu struktūra

“Es izgatavoju savus materiālus ar pulvera apstrādi, kur vispirms izgatavojam nanokristālisko pulveri un pēc tam to konsolidējam lielapjoma objektā. Taču izaicinājums ir tāds, ka konsolidācijai materiāls ir jāpakļauj augstākai temperatūrai, ”saka Cordero. Sakausējumu karsēšana līdz augstām temperatūrām var izraisīt metālā esošo graudu vai atsevišķu kristālisko domēnu palielināšanos, kas tos vājina. Cordero spēja sasniegt īpaši smalku graudu struktūru aptuveni 130 nanometru kompaktā W-7Cr-9Fe, ko apstiprināja elektronu mikrogrāfi. “Izmantojot šo pulvera apstrādes ceļu, mēs varam izgatavot lielus paraugus ar diametru līdz 2 centimetriem vai arī lielākus ar dinamisko spiedes spēku 4 GPa (gigapaskāli). Fakts, ka mēs varam izgatavot šos materiālus, izmantojot mērogojamu procesu, varbūt ir vēl iespaidīgāks, ”saka Cordero.

“Tas, ko mēs kā grupa cenšamies darīt, ir izgatavot lielapjoma lietas ar smalkām nanostruktūrām. Iemesls, kāpēc mēs to vēlamies, ir tāpēc, ka šiem materiāliem ir ļoti interesantas īpašības, kas ir potenciāli izmantojamas daudzos lietojumos,” piebilst Cordero.

Dabā nav sastopams

Cordero arī pārbaudīja metāla sakausējumu pulveru izturību ar nanomēroga mikrostruktūrām Acta Materialia žurnālā. Cordero kopā ar vecāko autoru Šuhu izmantoja gan skaitļošanas simulācijas, gan laboratorijas eksperimentus, lai parādītu, ka metālu sakausējumi, piemēram, volframa un hroma ar līdzīgām sākotnējām stiprībām, mēdz homogenizēties un iegūt spēcīgāku galaproduktu, savukārt metālu kombinācijas ar lielu sākotnējo stiprības neatbilstību jo volframam un cirkonim bija tendence veidot vājāku sakausējumu ar vairāk nekā vienu fāzi.

“Augstas enerģijas lodīšu frēzēšanas process ir viens no piemēriem lielākai procesu grupai, kurā materiāls tiek deformēts, lai tā mikrostruktūra nonāktu dīvainā līdzsvara stāvoklī. Nav īsti labas sistēmas, lai paredzētu mikrostruktūru, kas parādās, tāpēc bieži tas notiek izmēģinājumu un kļūdu gadījumā. Mēs centāmies novērst empīrismu, izstrādājot sakausējumus, kas veidos metastabilu cietu šķīdumu, kas ir viens no nelīdzsvara fāzes piemēriem, ”skaidro Kordero.

"Jūs izveidojat šīs nelīdzsvara fāzes, lietas, kuras jūs parasti neredzētu apkārtējā pasaulē, dabā, izmantojot šos patiešām ekstrēmos deformācijas procesus," viņš saka. Augstas enerģijas lodīšu frēzēšanas process ietver atkārtotu metāla pulveru cirpšanu ar cirpšanu, kas liek sakausējuma elementiem sajaukties, savukārt konkurējoši, termiski aktivēti reģenerācijas procesi ļauj sakausējumam atgriezties līdzsvara stāvoklī, kas daudzos gadījumos ir fāzes atdalīšana. . "Tātad starp šiem diviem procesiem pastāv konkurence," skaidro Kordero. Viņa rakstā tika piedāvāts vienkāršs modelis, lai prognozētu ķīmiskās vielas noteiktā sakausējumā, kas veidos cietu šķīdumu, un apstiprināja to ar eksperimentiem. "Slīpētie pulveri ir vieni no cietākajiem metāliem, ko cilvēki ir redzējuši," saka Kordero, norādot, ka testi parādīja, ka volframa un hroma sakausējuma nanoindentācijas cietība ir 21 GPa. Tas padara tos aptuveni divreiz lielāku par nanokristālisko dzelzs sakausējumu vai rupji graudaina volframa nanoiespiedumu cietību.

Metalurģija prasa elastību

Viņa pētītajos īpaši smalko graudu volframa-hroma-dzelzs sakausējuma kompaktos sakausējumi uzņēma dzelzi no tērauda slīpēšanas līdzekļa un flakona noberšanās augstas enerģijas lodīšu frēzēšanas laikā. "Bet izrādās, ka tas var būt arī kaut kas labs, jo izskatās, ka tas paātrina blīvēšanu zemās temperatūrās, kas samazina laiku, kas jums jāpavada augstās temperatūrās, kas var izraisīt sliktas izmaiņas mikrostruktūrā." Kordero skaidro. "Lielais ir elastīgums un iespēju apzināšanās metalurģijā."

Sablīvēta metāla sakausējuma granula atrodas blakus frēzētiem volframa-hroma dzelzs metāla pulveriem laivā, ko izmanto metālu svēršanai. Tērauda lodītes tiek izmantotas, lai deformētu metālus augstas enerģijas lodīšu dzirnavās. Kredīts: Deniss Paiste/Materiālu apstrādes centrs
Kordero 2010. gadā absolvēja MIT ar bakalaura grādu fizikā un gadu strādāja Lawrence Berkeley National Lab. Tur viņu iedvesmoja inženieru darbinieki, kuri no agrākās metalurgu paaudzes mācījās, ka Otrā pasaules kara laikā Manhetenas projektam izgatavoja īpašus tīģeļus plutonija noturēšanai. “Dzirdot lietas, pie kurām viņi strādāja, es ļoti aizrāvos un aizrāvos ar metālu apstrādi. Tas ir arī ļoti jautri,” saka Kordero. Citās materiālzinātnes apakšnozarēs viņš saka: "Nevar atvērt krāsni 1000 C temperatūrā un redzēt kaut ko sarkanīgi karstu. Jūs nevarat termiski apstrādāt lietas. Viņš plāno pabeigt doktora grādu 2015.

Lai gan viņa pašreizējais darbs ir vērsts uz strukturāliem lietojumiem, viņa veiktā pulvera apstrāde tiek izmantota arī magnētisku materiālu ražošanai. "Daudz informācijas un zināšanu var izmantot citām lietām," viņš saka. "Lai gan šī ir tradicionālā strukturālā metalurģija, jūs varat izmantot šo vecās skolas metalurģiju jaunās skolas materiāliem."