Aloi tungsten baharu yang sedang dibangunkan dalam Kumpulan Schuh di MIT berpotensi menggantikan uranium yang telah habis dalam projektil penebuk perisai. Pelajar siswazah sains bahan dan kejuruteraan tahun empat Zachary C. Cordero sedang mengusahakan bahan toksisiti rendah, kekuatan tinggi, berketumpatan tinggi untuk menggantikan uranium yang telah habis dalam aplikasi ketenteraan struktur. Uranium yang berkurangan menimbulkan potensi bahaya kesihatan kepada askar dan orang awam. "Itulah motivasi untuk cuba menggantikannya," kata Cordero.

Tungsten biasa akan menjadi cendawan atau tumpul pada hentaman, prestasi yang paling teruk. Jadi cabarannya adalah untuk membangunkan aloi yang boleh menandingi prestasi uranium yang habis, yang menjadi mengasah sendiri apabila ia menggunting bahan dan mengekalkan hidung yang tajam pada antara muka sasaran penembus. “Tungsten dengan sendirinya sangat kuat dan keras. Kami memasukkan elemen pengaloian lain untuk menjadikannya supaya kami boleh menggabungkannya ke dalam objek pukal ini, "kata Cordero.

Aloi tungsten dengan kromium dan besi (W-7Cr-9Fe) adalah jauh lebih kuat daripada aloi tungsten komersial, Cordero melaporkan dalam kertas kerja dengan pengarang kanan dan ketua Jabatan Sains dan Kejuruteraan Bahan Christopher A. Schuh dan rakan sekerja dalam jurnal Metallurgical and Materials Transaksi A. Penambahbaikan dicapai dengan memampatkan serbuk logam dalam penekan panas pensinteran bantuan medan, dengan hasil terbaik, diukur dengan struktur butiran halus dan kekerasan tertinggi, dicapai pada masa pemprosesan 1 minit pada 1,200 darjah Celsius. Masa pemprosesan yang lebih lama dan suhu yang lebih tinggi membawa kepada butiran yang lebih kasar dan prestasi mekanikal yang lebih lemah. Pengarang bersama termasuk pelajar siswazah kejuruteraan dan sains bahan MIT Mansoo Park, rakan pasca doktoral Oak Ridge Emily L. Huskins, Profesor Madya Negeri Boise Megan Frary dan pelajar siswazah Steven Lives, dan jurutera mekanikal dan ketua pasukan Makmal Penyelidikan Tentera Brian E. Schuster. Ujian balistik sub-skala aloi tungsten-kromium-besi juga telah dilakukan.

"Jika anda boleh membuat sama ada tungsten pukal berstruktur nano atau amorfus (aloi), ia sepatutnya menjadi bahan balistik yang ideal," kata Cordero. Cordero, yang berasal dari Bridgewater, NJ, menerima Fellowship Sains dan Kejuruteraan Pertahanan Kebangsaan (NDSEG) pada 2012 melalui Pejabat Penyelidikan Saintifik Tentera Udara. Penyelidikannya dibiayai oleh Agensi Pengurangan Ancaman Pertahanan AS.

Struktur butiran ultra halus

“Cara saya membuat bahan saya ialah dengan pemprosesan serbuk di mana mula-mula kita membuat serbuk nanohabluran dan kemudian kita menggabungkannya menjadi objek pukal. Tetapi cabarannya ialah penyatuan memerlukan pendedahan bahan kepada suhu yang lebih tinggi, "kata Cordero. Memanaskan aloi kepada suhu tinggi boleh menyebabkan butiran, atau domain kristal individu, dalam logam membesar, yang melemahkannya. Cordero mampu mencapai struktur butiran ultrahalus kira-kira 130 nanometer dalam padat W-7Cr-9Fe, disahkan oleh mikrograf elektron. “Dengan menggunakan laluan pemprosesan serbuk ini, kami boleh membuat sampel besar sehingga diameter 2 sentimeter, atau kami boleh menjadi lebih besar, dengan kekuatan mampatan dinamik 4 GPa (gigapascal). Fakta bahawa kita boleh membuat bahan ini menggunakan proses berskala mungkin lebih mengagumkan, "kata Cordero.

“Apa yang kami cuba lakukan sebagai satu kumpulan ialah membuat barangan pukal dengan struktur nano yang halus. Sebab kami mahu itu adalah kerana bahan-bahan ini mempunyai ciri-ciri yang sangat menarik yang berpotensi digunakan dalam banyak aplikasi,” tambah Cordero.

Tidak dijumpai di alam semula jadi

Cordero juga mengkaji kekuatan serbuk aloi logam dengan mikrostruktur skala nano dalam kertas jurnal Acta Materialia. Cordero, dengan pengarang kanan Schuh, menggunakan kedua-dua simulasi pengiraan dan eksperimen makmal untuk menunjukkan bahawa aloi logam seperti tungsten dan kromium dengan kekuatan awal yang sama cenderung untuk menghomogenkan dan menghasilkan produk akhir yang lebih kuat, manakala gabungan logam dengan kekuatan awal yang besar tidak sepadan seperti itu. kerana tungsten dan zirkonium cenderung menghasilkan aloi yang lebih lemah dengan lebih daripada satu fasa hadir.

"Proses pengilangan bebola tenaga tinggi adalah satu contoh kumpulan proses yang lebih besar di mana anda mengubah bentuk bahan untuk memacu struktur mikronya kepada keadaan bukan keseimbangan yang pelik. Tidak ada rangka kerja yang baik untuk meramalkan struktur mikro yang keluar, jadi sering kali ini adalah percubaan dan kesilapan. Kami cuba membuang empirisme daripada mereka bentuk aloi yang akan membentuk penyelesaian pepejal metastabil, yang merupakan salah satu contoh fasa bukan keseimbangan, "jelas Cordero.

"Anda menghasilkan fasa bukan keseimbangan ini, perkara yang biasanya anda tidak akan lihat di dunia sekeliling anda, secara semula jadi, menggunakan proses ubah bentuk yang sangat melampau ini," katanya. Proses pengilangan bebola tenaga tinggi melibatkan ricih serbuk logam yang berulang dengan ricih memacu unsur pengaloian untuk bercampur sementara bersaing, proses pemulihan yang diaktifkan secara terma membolehkan aloi kembali ke keadaan keseimbangannya, yang dalam kebanyakan kes adalah untuk mengasingkan fasa. . "Jadi terdapat persaingan ini antara kedua-dua proses ini," jelas Cordero. Kertas kerjanya mencadangkan model mudah untuk meramalkan kimia dalam aloi tertentu yang akan membentuk penyelesaian pepejal dan mengesahkannya dengan eksperimen. "Serbuk as-milled adalah beberapa logam paling keras yang pernah dilihat orang," kata Cordero, sambil menyatakan ujian menunjukkan aloi tungsten-kromium mempunyai kekerasan nanoindentation 21 GPa. Itu menjadikan mereka kira-kira dua kali ganda kekerasan nanoindentation aloi berasaskan besi nanohabluran atau tungsten berbutir kasar.

Metalurgi memerlukan fleksibiliti

Dalam padat aloi tungsten-kromium-besi butiran ultrahalus yang dikajinya, aloi itu mengambil besi daripada lelasan media pengisar keluli dan botol semasa pengilangan bebola tenaga tinggi. "Tetapi ternyata ia juga boleh menjadi perkara yang baik, kerana ia kelihatan seperti mempercepatkan ketumpatan pada suhu rendah, yang mengurangkan jumlah masa yang perlu anda luangkan pada suhu tinggi yang boleh membawa kepada perubahan buruk dalam struktur mikro," Cordero menerangkan. "Perkara yang besar ialah menjadi fleksibel dan mengiktiraf peluang dalam metalurgi."

Pelet aloi logam yang dipadatkan terletak di sebelah serbuk logam besi tungsten-kromium yang digiling dalam bot yang digunakan untuk menimbang logam. Bebola keluli digunakan untuk mengubah bentuk logam dalam kilang bebola tenaga tinggi. Kredit: Denis Paiste/Pusat Pemprosesan Bahan
Cordero lulus dari MIT pada tahun 2010 dengan ijazah sarjana muda dalam fizik dan bekerja selama setahun di Lawrence Berkeley National Lab. Di sana, dia diilhamkan oleh kakitangan kejuruteraan yang belajar daripada ahli metalurgi generasi terdahulu yang membuat mangkuk pijar khas untuk memegang plutonium untuk Projek Manhattan semasa Perang Dunia II. “Mendengar jenis barangan yang mereka usahakan membuatkan saya sangat teruja dan berminat dengan pemprosesan logam. Ia juga sangat menyeronokkan,” kata Cordero. Dalam subdisiplin sains bahan lain, dia berkata, “Anda tidak boleh membuka relau pada suhu 1,000 C, dan melihat sesuatu yang bercahaya merah panas. Anda tidak boleh memanaskan barangan.” Beliau menjangkakan untuk menamatkan PhD pada 2015.

Walaupun kerja semasanya tertumpu pada aplikasi struktur, jenis pemprosesan serbuk yang dia lakukan juga digunakan untuk membuat bahan magnetik. "Banyak maklumat dan pengetahuan boleh digunakan untuk perkara lain," katanya. "Walaupun ini adalah metalurgi struktur tradisional, anda boleh menggunakan metalurgi sekolah lama ini kepada bahan sekolah baharu."