Lidhjet e reja të tungstenit që po zhvillohen në Grupin Schuh në MIT mund të zëvendësojnë potencialisht uraniumin e varfëruar në predha që shpojnë forca të blinduara. Studenti i diplomuar i vitit të katërt të shkencave dhe inxhinierisë së materialeve, Zachary C. Cordero, po punon për materiale me toksicitet të ulët, me forcë të lartë dhe me densitet të lartë për zëvendësimin e uraniumit të varfëruar në aplikimet strukturore ushtarake. Uraniumi i varfëruar përbën një rrezik të mundshëm shëndetësor për ushtarët dhe civilët. "Ky është motivimi për përpjekjen për ta zëvendësuar atë," thotë Cordero.

Tungsteni normal do të rritet me kërpudha ose do të mpikset në goditje, performanca më e keqe e mundshme. Pra, sfida është të zhvillohet një aliazh që mund të përputhet me performancën e uraniumit të varfëruar, i cili bëhet vetë-mprehës ndërsa këput materialin dhe mban një hundë të mprehtë në ndërfaqen depërtues-shënjestër. “Tungsteni në vetvete është jashtëzakonisht i fortë dhe i fortë. Ne vendosëm elementë të tjerë aliazh për ta bërë atë në mënyrë që të mund ta konsolidojmë atë në këtë objekt me shumicë, "thotë Cordero.

Një aliazh tungsteni me krom dhe hekur (W-7Cr-9Fe) ishte dukshëm më i fortë se lidhjet komerciale të tungstenit, raportoi Cordero në një punim me autorin e lartë dhe kreun e Departamentit të Shkencës dhe Inxhinierisë së Materialeve Christopher A. Schuh dhe kolegët në revistën Metallurgical and Materials Transaksionet A. Përmirësimi u arrit duke ngjeshur pluhurat metalikë në një sinterim të nxehtë të ndihmuar në terren presa, me rezultatin më të mirë, të matur nga struktura e kokrrizave të imta dhe fortësia më e lartë, e arritur në një kohë përpunimi prej 1 minutë në 1200 gradë Celsius. Kohët më të gjata të përpunimit dhe temperaturat më të larta çuan në kokrra më të trashë dhe performancë më të dobët mekanike. Bashkautorët përfshinin studentin e diplomuar në inxhinieri dhe shkenca materiale në MIT, Mansoo Park, kolegen postdoktorale të Oak Ridge, Emily L. Huskins, Profesorja e asociuar e Boise State, Megan Frary dhe studenti i diplomuar Steven Livers, dhe inxhinieri mekanik i Laboratorit të Kërkimeve të Ushtrisë dhe udhëheqësi i ekipit Brian E. Schuster. Janë kryer edhe teste balistike nën shkallë të lidhjes tungsten-krom-hekur.

“Nëse mund të bësh tungsten (aliazh) me nanostrukturë ose amorf, ai duhet të jetë me të vërtetë një material balistik ideal, thotë Cordero. Cordero, një vendas në Bridgewater, NJ, mori një Bursë për Shkencën dhe Inxhinierinë e Mbrojtjes Kombëtare (NDSEG) në 2012 përmes Zyrës së Kërkimeve Shkencore të Forcave Ajrore. Hulumtimi i tij financohet nga Agjencia Amerikane për Reduktimin e Kërcënimeve të Mbrojtjes.

Struktura e kokrrës ultrafine

“Mënyra se si i bëj materialet e mia është me përpunimin e pluhurit ku fillimisht bëjmë pluhur nanokristalor dhe më pas e konsolidojmë në një objekt me shumicë. Por sfida është se konsolidimi kërkon ekspozimin e materialit në temperatura më të larta, "thotë Cordero. Ngrohja e lidhjeve në temperatura të larta mund të shkaktojë zmadhimin e kokrrave ose zonave individuale kristalore brenda metalit, gjë që i dobëson ato. Cordero ishte në gjendje të arrinte strukturën e kokrrizave ultrafine prej rreth 130 nanometra në kompaktin W-7Cr-9Fe, konfirmuar nga mikrografët elektronikë. “Duke përdorur këtë rrugë të përpunimit të pluhurit, ne mund të bëjmë mostra të mëdha deri në 2 centimetra në diametër, ose mund të shkojmë më të mëdha, me fuqi dinamike kompresive prej 4 GPa (gigapascals). Fakti që ne mund t'i bëjmë këto materiale duke përdorur një proces të shkallëzuar është ndoshta edhe më mbresëlënës, "thotë Cordero.

“Ajo që ne po përpiqemi të bëjmë si grup është të bëjmë gjëra të mëdha me nanostruktura të shkëlqyera. Arsyeja pse duam këtë është sepse këto materiale kanë veti shumë interesante që mund të përdoren në shumë aplikacione,” shton Cordero.

Nuk gjendet në natyrë

Cordero gjithashtu ekzaminoi forcën e pluhurave të aliazhit metalik me mikrostruktura në shkallë nano në një gazetë të revistës Acta Materialia. Cordero, me autorin e vjetër Schuh, përdori si simulime llogaritëse ashtu edhe eksperimente laboratorike për të treguar se lidhjet e metaleve si tungsteni dhe kromi me fortësi të ngjashme fillestare priren të homogjenizohen dhe të prodhojnë një produkt përfundimtar më të fortë, ndërsa kombinimet e metaleve me një forcë të madhe fillestare nuk përputhen si pasi tungsteni dhe zirkonium tentonin të prodhonin një aliazh më të dobët me më shumë se një fazë të pranishme.

“Procesi i bluarjes së topit me energji të lartë është një shembull i një familjeje më të madhe procesesh në të cilat ju deformoni materialin për ta çuar mikrostrukturën e tij në një gjendje të çuditshme jo ekuilibri. Nuk ka vërtet një kornizë të mirë për parashikimin e mikrostrukturës që del, kështu që shumë herë kjo është provë dhe gabim. Ne po përpiqeshim të hiqnim empirizmin nga projektimi i lidhjeve që do të formojnë një zgjidhje të ngurtë metastabile, e cila është një shembull i një faze jo ekuilibri, "shpjegon Cordero.

“Ju prodhoni këto faza jo-ekuilibri, gjëra që normalisht nuk do t'i shihnit në botën përreth jush, në natyrë, duke përdorur këto procese vërtet ekstreme të deformimit,” thotë ai. Procesi i bluarjes së topit me energji të lartë përfshin prerjen e përsëritur të pluhurave metalikë me prerjen që i shtyn elementët aliazh të përzihen ndërkohë që proceset konkurruese të rikuperimit të aktivizuara termikisht lejojnë që aliazhi të kthehet në gjendjen e tij të ekuilibrit, që në shumë raste është të ndahet në fazë . "Pra, ekziston një konkurrencë midis këtyre dy proceseve," shpjegon Cordero. Punimi i tij propozoi një model të thjeshtë për të parashikuar kiminë në një aliazh të caktuar që do të formojë një zgjidhje të ngurtë dhe e vërtetoi atë me eksperimente. "Pluhurat e bluar janë disa nga metalet më të forta që njerëzit kanë parë," thotë Cordero, duke vënë në dukje testet treguan se aliazhi tungsten-krom ka një fortësi nanoindentacioni prej 21 GPa. Kjo i bën ata rreth dyfishin e fortësisë së nanoindentacionit të lidhjeve nanokristaline me bazë hekuri ose tungstenit me kokërr të trashë.

Metalurgjia kërkon fleksibilitet

Në kompaktet tepër të imta të aliazhit tungsten-krom-hekur që ai studioi, lidhjet e kapën hekurin nga gërryerja e mediave bluarëse të çelikut dhe shishkës gjatë bluarjes me top me energji të lartë. "Por rezulton se kjo mund të jetë edhe diçka e mirë, sepse duket sikur përshpejton densifikimin në temperatura të ulëta, gjë që redukton sasinë e kohës që duhet të kaloni në ato temperatura të larta që mund të çojnë në ndryshime të këqija në mikrostrukturë." - shpjegon Cordero. "Gjëja kryesore është të jesh fleksibël dhe të njohësh mundësitë në metalurgji."

Një topth i ngjeshur nga aliazh metalik qëndron pranë pluhurave metalike të hekurit tungsten-krom të bluar në një varkë që përdoret për peshimin e metaleve. Topat e çelikut përdoren për të deformuar metalet në një mulli me topa me energji të lartë. Kredia: Denis Paiste/Qendra e Përpunimit të Materialeve
Cordero u diplomua në MIT në 2010 me një diplomë bachelor në fizikë dhe punoi për një vit në Laboratorin Kombëtar Lawrence Berkeley. Atje, ai u frymëzua nga stafi inxhinierik i cili mësoi nga një brez i mëparshëm i metalurgëve që bënin kuti speciale për të mbajtur plutonium për Projektin Manhattan gjatë Luftës së Dytë Botërore. “Dëgjimi i gjërave për të cilat ata po punonin, më emocionoi dhe më bëri shumë të interesuar për përpunimin e metaleve. Është gjithashtu shumë argëtuese”, thotë Cordero. Në nëndisiplinat e tjera të shkencës së materialeve, ai thotë: “Nuk mund të hapësh një furrë në 1000 C dhe të shohësh diçka që shkëlqen e kuqe e nxehtë. Ju nuk mund të trajtoni gjërat me ngrohje.” Ai pret të përfundojë doktoraturën në vitin 2015.

Megjithëse puna e tij aktuale është e fokusuar në aplikime strukturore, lloji i përpunimit të pluhurit që ai po bën përdoret gjithashtu për të bërë materiale magnetike. “Shumë nga informacionet dhe njohuritë mund të aplikohen për gjëra të tjera,” thotë ai. "Edhe pse kjo është metalurgji strukturore tradicionale, ju mund ta aplikoni këtë metalurgji të shkollës së vjetër në materialet e shkollave të reja."