MIT मधील Schuh ग्रुपमध्ये विकसित होणारे नवीन टंगस्टन मिश्रधातू संभाव्यपणे चिलखत-छेदणाऱ्या प्रोजेक्टाइलमध्ये कमी झालेल्या युरेनियमची जागा घेऊ शकतात. चौथ्या वर्षाचे साहित्य विज्ञान आणि अभियांत्रिकी पदवीधर विद्यार्थी Zachary C. Cordero कमी-विषारी, उच्च-शक्ती, उच्च-घनतेच्या सामग्रीवर संरचनात्मक लष्करी अनुप्रयोगांमध्ये कमी झालेले युरेनियम बदलण्यासाठी काम करत आहे. संपुष्टात आलेले युरेनियम सैनिक आणि नागरिकांसाठी संभाव्य आरोग्य धोक्यात आहे. कॉर्डेरो म्हणतात, “ते बदलण्याचा प्रयत्न करण्याची ही प्रेरणा आहे.

सामान्य टंगस्टन प्रभावावर मशरूम किंवा बोथट होईल, सर्वात वाईट कामगिरी. त्यामुळे कमी झालेल्या युरेनियमच्या कार्यक्षमतेशी जुळणारे मिश्रधातू विकसित करणे हे आव्हान आहे, जे स्वत: धारदार बनते कारण ते सामग्री कातरते आणि भेदक-लक्ष्य इंटरफेसवर तीक्ष्ण नाक राखते. "टंगस्टन स्वतःच असाधारणपणे मजबूत आणि कठोर आहे. आम्ही ते तयार करण्यासाठी इतर मिश्रधातू घटक घालतो जेणेकरून आम्ही ते या मोठ्या वस्तूमध्ये एकत्रित करू शकू,” कॉर्डेरो म्हणतो.

क्रोमियम आणि लोह (W-7Cr-9Fe) असलेले टंगस्टन मिश्र धातु व्यावसायिक टंगस्टन मिश्र धातुंपेक्षा लक्षणीयरीत्या मजबूत होते, कॉर्डेरो यांनी वरिष्ठ लेखक आणि साहित्य विज्ञान आणि अभियांत्रिकी विभागाचे प्रमुख क्रिस्टोफर ए. शूह आणि मेटलर्जिकल अँड मटेरिअल्स या जर्नलमधील सहकाऱ्यांसह एका पेपरमध्ये नोंदवले. ट्रान्झॅक्शन्स A. फील्ड-सहाय्य सिंटरिंग हॉट प्रेसमध्ये मेटल पावडर कॉम्पॅक्ट करून, उत्कृष्ट परिणामांसह, बारीक धान्य रचना आणि सर्वोच्च कडकपणा द्वारे मोजले गेले, 1,200 अंश सेल्सिअस तापमानावर 1 मिनिटाच्या प्रक्रियेच्या वेळी प्राप्त केले गेले. प्रक्रियेचा जास्त काळ आणि उच्च तापमानामुळे खडबडीत धान्ये आणि कमकुवत यांत्रिक कार्यप्रदर्शन होते. सह-लेखकांमध्ये एमआयटी अभियांत्रिकी आणि साहित्य विज्ञान पदवीधर विद्यार्थी मन्सू पार्क, ओक रिज पोस्टडॉक्टरल सहकारी एमिली एल. हस्किन्स, बोईस स्टेट असोसिएट प्रोफेसर मेगन फ्रेरी आणि पदवीधर विद्यार्थी स्टीव्हन लिव्हर्स आणि आर्मी रिसर्च लॅबोरेटरी यांत्रिक अभियंता आणि टीम लीडर ब्रायन ई. शुस्टर यांचा समावेश होता. टंगस्टन-क्रोमियम-लोह मिश्रधातूच्या उप-स्केल बॅलिस्टिक चाचण्या देखील केल्या गेल्या आहेत.

"जर तुम्ही नॅनोस्ट्रक्चर्ड किंवा अमोर्फस बल्क टंगस्टन (मिश्रधातू) बनवू शकत असाल, तर ते खरोखर एक आदर्श बॅलिस्टिक मटेरियल असावे," कॉर्डेरो म्हणतात. ब्रिजवॉटर, NJ येथील मूळ रहिवासी असलेल्या कॉर्डेरोला 2012 मध्ये वायुसेना कार्यालय ऑफ सायंटिफिक रिसर्चद्वारे राष्ट्रीय संरक्षण विज्ञान आणि अभियांत्रिकी (NDSEG) फेलोशिप मिळाली. त्याच्या संशोधनाला यूएस डिफेन्स थ्रेट रिडक्शन एजन्सीने अर्थसहाय्य दिले आहे.

अतिसूक्ष्म धान्य रचना

“मी माझे साहित्य बनवण्याचा मार्ग म्हणजे पावडर प्रक्रिया जेथे प्रथम आम्ही नॅनोक्रिस्टलाइन पावडर बनवतो आणि नंतर आम्ही ते एका मोठ्या वस्तूमध्ये एकत्र करतो. परंतु आव्हान हे आहे की एकत्रीकरणासाठी सामग्रीला उच्च तापमानात उघड करणे आवश्यक आहे,” कॉर्डेरो म्हणतात. मिश्रधातूंना उच्च तापमानात गरम केल्याने धातूमधील धान्य किंवा वैयक्तिक स्फटिक डोमेन मोठे होऊ शकतात, ज्यामुळे ते कमकुवत होतात. इलेक्ट्रॉन मायक्रोग्राफद्वारे पुष्टी केलेल्या W-7Cr-9Fe कॉम्पॅक्टमध्ये कॉर्डेरो सुमारे 130 नॅनोमीटरची अल्ट्राफाइन ग्रेन स्ट्रक्चर प्राप्त करण्यात सक्षम होते. “या पावडर प्रक्रिया मार्गाचा वापर करून, आम्ही 2 सेंटीमीटर व्यासापर्यंत मोठे नमुने बनवू शकतो किंवा 4 GPa (gigapascals) च्या डायनॅमिक कॉम्प्रेसिव्ह सामर्थ्यांसह मोठे नमुने बनवू शकतो. आम्ही स्केलेबल प्रक्रियेचा वापर करून ही सामग्री बनवू शकतो ही वस्तुस्थिती कदाचित अधिक प्रभावी आहे,” कॉर्डेरो म्हणतो.

“आम्ही एक गट म्हणून काय करण्याचा प्रयत्न करत आहोत ते म्हणजे उत्कृष्ट नॅनोस्ट्रक्चर्ससह मोठ्या प्रमाणात गोष्टी बनवणे. आम्हाला ते हवे आहे कारण या सामग्रीमध्ये खूप मनोरंजक गुणधर्म आहेत ज्यांचा अनेक अनुप्रयोगांमध्ये संभाव्य उपयोग आहे,” कॉर्डेरो जोडते.

निसर्गात आढळत नाही

कॉर्डेरोने ऍक्टा मटेरियालिया जर्नल पेपरमध्ये नॅनोस्केल मायक्रोस्ट्रक्चरसह धातूच्या मिश्रधातूच्या पावडरची ताकद देखील तपासली. कॉर्डेरो, ज्येष्ठ लेखक शुह यांच्यासमवेत, संगणकीय सिम्युलेशन आणि प्रयोगशाळेतील प्रयोग या दोन्हींचा वापर करून हे दाखवून दिले की टंगस्टन आणि क्रोमियम सारख्या धातूंचे मिश्र धातु समान प्रारंभिक सामर्थ्य असलेले एकसंध बनवतात आणि एक मजबूत अंतिम उत्पादन तयार करतात, तर मोठ्या प्रारंभिक ताकदीसह धातूंचे संयोजन जुळत नाही. टंगस्टन आणि झिरकोनियम हे एकापेक्षा जास्त फेज असलेले कमकुवत मिश्रधातू तयार करतात.

“उच्च-ऊर्जा बॉल मिलिंगची प्रक्रिया ही प्रक्रियांच्या मोठ्या कुटुंबाचे एक उदाहरण आहे ज्यामध्ये आपण त्याच्या सूक्ष्म संरचनाला विचित्र नॉन-समतोल स्थितीत आणण्यासाठी सामग्रीचे हेक विकृत करता. बाहेर येणाऱ्या मायक्रोस्ट्रक्चरचा अंदाज लावण्यासाठी खरोखरच चांगली फ्रेमवर्क नाही, म्हणून बऱ्याच वेळा हे चाचणी आणि त्रुटी असते. आम्ही मेटास्टेबल सॉलिड सोल्युशन तयार करणाऱ्या मिश्र धातुंच्या डिझाइनमधून अनुभववाद काढून टाकण्याचा प्रयत्न करत होतो, जे समतोल नसलेल्या टप्प्याचे एक उदाहरण आहे,” कॉर्डेरो स्पष्ट करतात.

ते म्हणतात, “तुम्ही या अ-समतोल अवस्था निर्माण करता, ज्या गोष्टी तुम्हाला तुमच्या आजूबाजूच्या जगात, निसर्गात दिसणार नाहीत, या खरोखरच अत्यंत विकृत प्रक्रियेचा वापर करून,” तो म्हणतो. उच्च-ऊर्जा बॉल मिलिंगच्या प्रक्रियेमध्ये धातूच्या पावडरची वारंवार कातरणे समाविष्ट असते ज्यामुळे स्पर्धा करताना मिश्रधातू घटक एकमेकांत मिसळतात, थर्मली-सक्रिय पुनर्प्राप्ती प्रक्रिया मिश्रधातूला त्याच्या समतोल स्थितीत परत येण्यास अनुमती देतात, जे बर्याच बाबतीत वेगळे होते. . "म्हणून या दोन प्रक्रियांमध्ये ही स्पर्धा आहे," कॉर्डेरो स्पष्ट करतात. त्याच्या पेपरने दिलेल्या मिश्रधातूमध्ये रसायनशास्त्राचा अंदाज लावण्यासाठी एक साधे मॉडेल प्रस्तावित केले जे एक ठोस समाधान तयार करेल आणि प्रयोगांद्वारे त्याचे प्रमाणीकरण करेल. कॉर्डेरो म्हणतात, “मिळलेले पावडर हे काही कठीण धातू आहेत जे लोकांनी पाहिले आहेत,” नोटिंग चाचण्यांमधून असे दिसून आले आहे की टंगस्टन-क्रोमियम मिश्र धातुची नॅनोइंडेंटेशन कठोरता 21 GPa आहे. यामुळे ते नॅनोक्रिस्टलाइन लोह-आधारित मिश्रधातू किंवा खडबडीत टंगस्टनच्या नॅनोइंडेंटेशन कडकपणाच्या दुप्पट बनवते.

धातूशास्त्राला लवचिकता आवश्यक असते

त्याने अभ्यास केलेल्या अल्ट्राफाइन ग्रेन टंगस्टन-क्रोमियम-लोह मिश्र धातुच्या कॉम्पॅक्टमध्ये, मिश्र धातुंनी उच्च-ऊर्जा बॉल मिलिंग दरम्यान स्टील ग्राइंडिंग मीडिया आणि कुपीच्या घर्षणातून लोह उचलला. "परंतु असे दिसून आले की ही एक चांगली गोष्ट देखील असू शकते, कारण असे दिसते की ते कमी तापमानात घनता वाढवते, ज्यामुळे तुम्हाला त्या उच्च तापमानात घालवावा लागणारा वेळ कमी होतो ज्यामुळे मायक्रोस्ट्रक्चरमध्ये वाईट बदल होऊ शकतात," कॉर्डेरो स्पष्ट करतात. "मोठी गोष्ट म्हणजे लवचिक असणे आणि धातू शास्त्रातील संधी ओळखणे."

कॉर्डेरोने 2010 मध्ये एमआयटीमधून भौतिकशास्त्रात पदवी प्राप्त केली आणि लॉरेन्स बर्कले नॅशनल लॅबमध्ये एक वर्ष काम केले. तेथे, त्याला अभियांत्रिकी कर्मचाऱ्यांकडून प्रेरणा मिळाली, ज्यांनी दुसऱ्या महायुद्धात मॅनहॅटन प्रकल्पासाठी प्लुटोनियम ठेवण्यासाठी विशेष क्रूसिबल बनविणाऱ्या धातुशास्त्रज्ञांच्या पूर्वीच्या पिढीकडून शिकले. “ते ज्या प्रकारच्या गोष्टींवर काम करत होते ते ऐकून मी खूप उत्साही आणि धातूंच्या प्रक्रियेबद्दल उत्सुक झालो. हे देखील खूप मजेदार आहे,” कॉर्डेरो म्हणतो. इतर साहित्य विज्ञान उप-विषयांमध्ये, तो म्हणतो, “तुम्हाला 1,000 C वर भट्टी उघडता येत नाही आणि काहीतरी चमकणारे लाल गरम दिसत नाही. तुम्हाला उष्मा-उपचार सामग्री मिळत नाही.” त्याला 2015 मध्ये पीएचडी पूर्ण करण्याची अपेक्षा आहे.

जरी त्याचे सध्याचे कार्य स्ट्रक्चरल ऍप्लिकेशन्सवर केंद्रित असले तरी, तो ज्या प्रकारची पावडर प्रक्रिया करत आहे त्याचा वापर चुंबकीय सामग्री बनविण्यासाठी देखील केला जातो. "बरीच माहिती आणि ज्ञान इतर गोष्टींवर लागू केले जाऊ शकते," तो म्हणतो. "जरी ही पारंपारिक स्ट्रक्चरल मेटलर्जी असली तरी, तुम्ही ही जुनी-शालेय मेटलर्जी नवीन-शालेय सामग्रीवर लागू करू शकता."