Нове легуре волфрама које се развијају у Сцхух групи на МИТ-у могле би потенцијално заменити осиромашени уранијум у пројектилима за пробијање оклопа. Дипломирани студент четврте године науке о материјалима и инжењерства Зацхари Ц. Цордеро ради на материјалу ниске токсичности, високе чврстоће и високе густине за замјену осиромашеног уранијума у ​​структурним војним примјенама. Осиромашени уранијум представља потенцијалну опасност по здравље војника и цивила. „То је мотивација да покушате да је замените“, каже Кордеро.

Нормални волфрам би се печурки или тупио на удару, што је најгоре могуће перформансе. Дакле, изазов је развити легуру која може да се подудара са перформансама осиромашеног уранијума, који постаје самооштрен док сече материјал и одржава оштар нос на интерфејсу пенетратора и мете. „Волфрам је сам по себи изузетно јак и тврд. Ставили смо друге легирне елементе да бисмо га направили тако да можемо да га консолидујемо у овај масивни објекат“, каже Кордеро.

Легура волфрама са хромом и гвожђем (В-7Цр-9Фе) била је значајно јача од комерцијалних легура волфрама, известио је Кордеро у раду са старијим аутором и шефом Одељења за науку о материјалима и инжењерству Цхристопхером А. Сцхухом и колегама у часопису Металлургицал анд Материалс Трансакције А. Побољшање је постигнуто сабијањем металних прахова у топлој преси за синтеровање уз помоћ најбољих резултат, мерен финозрнастом структуром и највећом тврдоћом, постигнут у времену обраде од 1 минута на 1200 степени Целзијуса. Дуже време обраде и више температуре довеле су до крупнијих зрна и слабијих механичких перформанси. Међу коауторима су били дипломирани студент инжењеринга и науке о материјалима Мансоо Парк, постдокторски сарадник Оак Ридгеа Емили Л. Хускинс, ванредни професор у држави Боисе Меган Фрари и дипломирани студент Стевен Ливерс, као и машински инжењер и вођа тима Бриан Е. Сцхустер Лабораторије за истраживање војске. Извршена су и балистичка испитивања легуре волфрам-хром-гвожђе на подскали.

„Ако можете да направите наноструктурирани или аморфни волфрам (легура), то би заиста требало да буде идеалан балистички материјал“, каже Кордеро. Кордеро, родом из Бриџвотера, Њ, добио је стипендију за науку и инжењерство националне одбране (НДСЕГ) 2012. преко Канцеларије за научна истраживања ваздухопловних снага. Његово истраживање финансира Америчка агенција за смањење претњи одбране.

Ултрафина зрнаста структура

„Начин на који правим своје материјале је обрада праха где прво правимо нанокристални прах, а затим га консолидујемо у расути предмет. Али изазов је у томе што консолидација захтева излагање материјала вишим температурама“, каже Кордеро. Загревање легура на високе температуре може проузроковати повећање зрна или појединачних кристалних домена унутар метала, што их слаби. Цордеро је успео да постигне ултрафину зрнасту структуру од око 130 нанометара у компакту В-7Цр-9Фе, што је потврђено електронским микрографијама. „Користећи ову руту за обраду праха, можемо направити велике узорке пречника до 2 центиметра, или можемо ићи веће, са динамичком чврстоћом притиска од 4 ГПа (гигапаскала). Чињеница да можемо да направимо ове материјале помоћу скалабилног процеса је можда још импресивнија“, каже Кордеро.

„Оно што покушавамо да урадимо као група је да направимо велике ствари са финим наноструктурама. Разлог зашто то желимо је тај што ови материјали имају веома интересантна својства која су потенцијално корисна у многим апликацијама“, додаје Кордеро.

Не налази се у природи

Цордеро је такође испитао снагу прахова металних легура са микроструктурама наноразмера у часопису Ацта Материалиа. Кордеро, са старијим аутором Шухом, користио је и рачунарске симулације и лабораторијске експерименте како би показао да легуре метала као што су волфрам и хром са сличним почетним чврстоћама имају тенденцију да се хомогенизују и производе јачи крајњи производ, док комбинације метала са великом почетном неусклађеношћу чврстоће као што је пошто су волфрам и цирконијум имали тенденцију да произведу слабију легуру са више од једне фазе.

„Процес високоенергетског млевења куглица је један пример веће фамилије процеса у којима деформишете ђаволски материјал да бисте његову микроструктуру довели у чудно неравнотежно стање. Заиста не постоји добар оквир за предвиђање микроструктуре која излази, тако да је то често покушај и грешка. Покушавали смо да уклонимо емпиризам из дизајнирања легура које ће формирати метастабилни чврсти раствор, што је један од примера неравнотежне фазе“, објашњава Кордеро.

„Ви производите ове неравнотежне фазе, ствари које иначе не бисте видели у свету око себе, у природи, користећи ове заиста екстремне процесе деформације“, каже он. Процес високоенергетског млевења куглица укључује поновљено смицање металног праха са смицањем који покреће легирне елементе да се мешају, док конкурентни, термички активирани процеси опоравка омогућавају легури да се врати у своје равнотежно стање, што је у многим случајевима да се одвоји по фазама. . „Дакле, постоји такмичење између ова два процеса“, објашњава Кордеро. Његов рад је предложио једноставан модел за предвиђање хемија у датој легури која ће формирати чврст раствор и потврдио га експериментима. „Прахови који су млевени су неки од најтврђих метала које су људи видели“, каже Кордеро, напомињући да су тестови показали да легура волфрам-хром има тврдоћу наноиндентирања од 21 ГПа. То их чини дупло већом од наноиндентационе тврдоће од нанокристалних легура на бази гвожђа или крупнозрног волфрама.

Металургија захтева флексибилност

У компактним компактима од легуре волфрама, хрома и гвожђа ултра финог зрна које је проучавао, легуре су покупиле гвожђе од абразије челичног медијума за млевење и бочице током високоенергетског млевења са куглицама. "Али испоставило се да то може бити и добра ствар, јер изгледа да убрзава згушњавање на ниским температурама, што смањује количину времена које морате да проведете на тим високим температурама које би могле довести до лоших промјена у микроструктури", Цордеро објашњава. "Велика ствар је бити флексибилан и препознати могућности у металургији."

Кордеро је дипломирао физику на МИТ-у 2010. године и радио је годину дана у Националној лабораторији Лоренса Берклија. Тамо га је инспирисало инжењерско особље које је научило од раније генерације металурга који су правили специјалне лончиће за држање плутонијума за пројекат Менхетн током Другог светског рата. „Слушајући ствари на којима су радили, веома сам се узбудио и заинтересовао за обраду метала. Такође је веома забавно“, каже Кордеро. У другим под-дисциплинама науке о материјалима, он каже: „Не можете да отворите пећ на 1000 Ц и видите да нешто сија усијано. Не можете термички обрадити ствари.” Очекује да ће докторирати 2015.

Иако је његов тренутни рад фокусиран на структуралне примене, врста обраде праха коју ради такође се користи за прављење магнетних материјала. „Многе информације и знања могу се применити на друге ствари“, каже он. "Иако је ово традиционална структурна металургија, ову металургију старе школе можете применити на материјале нове школе."