Новите легури на волфрам што се развиваат во групата Schuh во MIT би можеле потенцијално да го заменат осиромашениот ураниум во проектилите што пробиваат оклоп. Дипломиран студент на наука и инженерство за материјали од четврта година Захари К. Кордеро работи на материјал со ниска токсичност, висока цврстина и висока густина за замена на осиромашен ураниум во структурни воени апликации. Осиромашениот ураниум претставува потенцијална опасност по здравјето на војниците и цивилите. „Тоа е мотивацијата за обид да се замени“, вели Кордеро.

Вообичаениот волфрам ќе се зголеми за печурки или ќе се затапи при удар, што е најлошата можна изведба. Значи, предизвикот е да се развие легура која може да одговара на перформансите на осиромашениот ураниум, кој станува самоострелив додека го отсекува материјалот и одржува остар нос на интерфејсот на пенетратор-цел. „Волфрамот сам по себе е исклучително силен и тврд. Ставивме други легирани елементи за да го направиме за да можеме да го консолидираме во овој голем објект“, вели Кордеро.

Легурата на волфрам со хром и железо (W-7Cr-9Fe) била значително посилна од комерцијалните легури на волфрам, објави Кордеро во труд со постар автор и раководител на Одделот за наука и инженерство за материјали Кристофер А. Шух и колегите во списанието Metallurgical and Materials Трансакции А. Подобрувањето беше постигнато со набивање на метални прашоци во топла преса за синтерување со помош на терен, со најдобар резултат, мерено според структурата на фино зрно и најголемата цврстина, постигната при време на обработка од 1 минута на 1.200 степени Целзиусови. Подолгото време на обработка и повисоките температури доведоа до покрупни зрна и послаби механички перформанси. Коавторите ги вклучуваа дипломираниот студент по инженерство и материјали на МИТ, Мансу Парк, постдокторската соработничка од Оук Риџ, Емили Л. Хаскинс, вонредниот професор на државата Бојс, Меган Фреј и дипломираниот студент Стивен Ливерс, и машинскиот инженер и лидер на тимот во Армиската лабораторија, Брајан Е. Шустер. Извршени се и балистички тестови на под-скала на легурата волфрам-хром-железо.

„Ако можете да направите или наноструктурен или аморфен волуменски волфрам (легура), тој навистина треба да биде идеален балистички материјал“, вели Кордеро. Кордеро, роден во Бриџвотер, Њу Џерси, доби стипендија за национална одбрана наука и инженерство (NDSEG) во 2012 година преку Канцеларијата за научни истражувања на воздухопловните сили. Неговото истражување е финансирано од Американската агенција за намалување на одбранбените закани.

Ултрафина структура на зрно

„Начинот на кој ги изработувам моите материјали е со обработка на прав каде прво правиме нанокристален прав, а потоа го консолидираме во рефус објект. Но, предизвикот е што консолидацијата бара изложување на материјалот на повисоки температури“, вели Кордеро. Загревањето на легурите на високи температури може да предизвика зрната или поединечните кристални области во металот да се зголемат, што ги ослабува. Кордеро успеа да постигне ултрафина структура на зрно од околу 130 нанометри во компактот W-7Cr-9Fe, потврдено со електронски микрографи. „Користејќи ја оваа рута за обработка на прав, можеме да направиме големи примероци со дијаметар до 2 сантиметри, или би можеле да бидеме поголеми, со динамична јачина на притисок од 4 GPa (гигапаскали). Фактот дека можеме да ги направиме овие материјали користејќи скалабилен процес е можеби уште поимпресивен“, вели Кордеро.

„Она што се обидуваме да го направиме како група е да направиме големи работи со фини наноструктури. Причината поради која го сакаме тоа е затоа што овие материјали имаат многу интересни својства кои се од потенцијална употреба во многу апликации“, додава Кордеро.

Не се наоѓа во природата

Кордеро, исто така, ја испитуваше јачината на прашокот од метална легура со микроструктури на нано размери во весник на Acta Materialia. Кордеро, со постариот автор Шух, користеше и пресметковни симулации и лабораториски експерименти за да покаже дека легурите на метали како што се волфрам и хром со слични првични јачини имаат тенденција да се хомогенизираат и да создадат посилен краен производ, додека комбинациите на метали со голема почетна јачина не се совпаѓаат како бидејќи волфрам и циркониум имаат тенденција да произведуваат послаба легура со повеќе од една присутна фаза.

„Процесот на високоенергетско мелење топчиња е еден пример за поголемо семејство на процеси во кои го деформирате материјалот за да ја доведете неговата микроструктура во чудна нерамнотежна состојба. Навистина не постои добра рамка за предвидување на микроструктурата што ќе излезе, така што многу пати ова е обиди и грешки. Се обидувавме да го отстраниме емпиризмот од дизајнирање легури кои ќе формираат метастабилно цврсто решение, што е еден пример за фаза на нерамнотежа“, објаснува Кордеро.

„Ги произведувате овие фази кои не се рамнотежа, работи што вообичаено не би ги виделе во светот околу вас, во природата, користејќи ги овие навистина екстремни процеси на деформација“, вели тој. Процесот на високо-енергетско мелење со топчиња вклучува повеќекратно стрижење на металните прашоци со стрижење што ги поттикнува легираните елементи да се мешаат додека се натпреваруваат, термички-активираните процеси за обновување овозможуваат легурата да се врати во својата рамнотежна состојба, што во многу случаи е фазно одвојување . „Значи, постои конкуренција помеѓу овие два процеса“, објаснува Кордеро. Неговиот труд предложи едноставен модел за предвидување на хемијата во дадена легура што ќе формира цврст раствор и го потврди со експерименти. „Мелените прашоци се едни од најтврдите метали што луѓето ги виделе“, вели Кордеро, забележувајќи дека тестовите покажале дека легурата на волфрам-хром има цврстина на нано вдлабнатини од 21 GPa. Тоа ги прави приближно двојно поголема цврстина на нановдлабнатини од нанокристалните легури на база на железо или крупнозрнест волфрам.

Металургијата бара флексибилност

Во компактите со ултрафини зрнести легури од волфрам-хром-железо што ги проучувал, легурите го собирале железото од абразијата на медиумот за мелење челик и вијалата за време на високо-енергетско мелење со топчиња. „Но, излегува дека тоа може да биде и добро, бидејќи изгледа како да го забрзува згуснувањето при ниски температури, што го намалува времето што треба да го поминете на оние високи температури што може да доведат до лоши промени во микроструктурата“, - објаснува Кордеро. „Големата работа е да се биде флексибилен и да се препознаат можностите во металургијата“.

Набиен пелети од метална легура се наоѓа веднаш до мелените метални прашоци од волфрам-хром во чамец што се користи за мерење на металите. Челичните топчиња се користат за деформирање на металите во високоенергетска мелница за топчиња. Кредит: Денис Паист/Центар за обработка на материјали
Кордеро дипломирал на МИТ во 2010 година со диплома по физика и работел една година во Националната лабораторија Лоренс Беркли. Таму, тој бил инспириран од инженерскиот кадар кој научил од претходната генерација металурзи кои правеле специјални садници за држење на плутониум за проектот Менхетен за време на Втората светска војна. „Слушањето на работи на кои тие работеа многу ме возбуди и ме интересираше за обработка на метали. Тоа е исто така многу забавно“, вели Кордеро. Во други поддисциплини на науката за материјали, тој вели: „Не можете да отворите печка на 1.000 C и да видите нешто што свети црвено жешко. Вие не добивате термичка обработка“. Тој очекува да заврши докторат во 2015 година.

Иако неговата сегашна работа е фокусирана на структурни апликации, видот на обработка на прав што тој го прави се користи и за производство на магнетни материјали. „Многу информации и знаења можат да се применат на други работи“, вели тој. „Иако ова е традиционална структурна металургија, можете да ја примените оваа старошколска металургија на новоучилишни материјали“.