โลหะผสมทังสเตนใหม่ที่ได้รับการพัฒนาในกลุ่ม Schuh ที่ MIT อาจทดแทนยูเรเนียมที่หมดสิ้นในกระสุนเจาะเกราะ Zachary C. Cordero นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ปีที่สี่กำลังทำงานเกี่ยวกับวัสดุที่มีความเป็นพิษต่ำ ความแข็งแรงสูง และมีความหนาแน่นสูง เพื่อทดแทนยูเรเนียมที่หมดสภาพในการใช้งานเชิงโครงสร้างทางทหาร ยูเรเนียมหมดสิ้นอาจเป็นอันตรายต่อสุขภาพต่อทหารและพลเรือน “นั่นคือแรงจูงใจในการพยายามแทนที่มัน” Cordero กล่าว

ทังสเตนปกติจะเห็ดหรือทื่อเมื่อกระแทก ซึ่งเป็นประสิทธิภาพที่แย่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ดังนั้น ความท้าทายคือการพัฒนาโลหะผสมที่ตรงกับสมรรถนะของยูเรเนียมที่หมดสภาพได้ ซึ่งจะลับคมได้เองเมื่อตัดวัสดุออก และคงปลายแหลมที่ส่วนต่อประสานระหว่างผู้เจาะทะลุและเป้าหมาย “ทังสเตนโดยตัวมันเองนั้นแข็งแกร่งและแข็งเป็นพิเศษ เราใส่องค์ประกอบอัลลอยด์อื่นๆ เข้าไปเพื่อทำให้มันรวมเป็นชิ้นเดียวกันได้” คอร์เดโรกล่าว

โลหะผสมทังสเตนที่มีโครเมียมและเหล็ก (W-7Cr-9Fe) มีความแข็งแรงมากกว่าโลหะผสมทังสเตนเชิงพาณิชย์อย่างมาก Cordero รายงานในบทความร่วมกับผู้เขียนอาวุโสและหัวหน้าภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม Christopher A. Schuh และเพื่อนร่วมงานในวารสาร Metallurgical and Materials ธุรกรรม A. การปรับปรุงนี้ทำได้โดยการบดอัดผงโลหะในเครื่องรีดร้อนแบบเผาผนึกที่ได้รับความช่วยเหลือจากภาคสนาม โดยให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด โดยวัดจากโครงสร้างเกรนละเอียดและความแข็งสูงสุด ใช้เวลาประมวลผล 1 นาที ที่อุณหภูมิ 1,200 องศาเซลเซียส ระยะเวลาในการประมวลผลนานขึ้นและอุณหภูมิที่สูงขึ้นส่งผลให้เมล็ดหยาบขึ้นและประสิทธิภาพทางกลลดลง ผู้เขียนร่วม ได้แก่ นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาด้านวิศวกรรมศาสตร์และวัสดุศาสตร์ของ MIT Mansoo Park, เพื่อนร่วมงานหลังปริญญาเอกของ Oak Ridge, Emily L. Huskins, รองศาสตราจารย์ Boise State Megan Frary และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Steven Livers และวิศวกรเครื่องกลของห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพบกและหัวหน้าทีม Brian E. Schuster นอกจากนี้ ยังมีการทดสอบขีปนาวุธย่อยของโลหะผสมทังสเตน-โครเมียม-เหล็ก

“ถ้าคุณสามารถสร้างทังสเตน (โลหะผสมที่มีโครงสร้างนาโนหรืออสัณฐาน) ก็ควรเป็นวัสดุขีปนาวุธในอุดมคติจริงๆ” Cordero กล่าว Cordero ซึ่งเป็นชาวเมืองบริดจ์วอเตอร์ รัฐนิวเจอร์ซี ได้รับทุน National Defense Science and Engineering (NDSEG) Fellowship ในปี 2012 ผ่านทางสำนักงานวิจัยวิทยาศาสตร์ของกองทัพอากาศ งานวิจัยของเขาได้รับทุนจากสำนักงานลดภัยคุกคามกลาโหมสหรัฐ

โครงสร้างเกรนละเอียดมาก

“วิธีที่ฉันสร้างวัสดุของฉันคือการแปรรูปแบบผง โดยขั้นแรกเราจะสร้างผงนาโนคริสตัลไลน์ จากนั้นจึงรวมเป็นวัตถุขนาดใหญ่ แต่ความท้าทายก็คือการควบรวมจะต้องทำให้วัสดุสัมผัสกับอุณหภูมิที่สูงขึ้น” Cordero กล่าว การทำความร้อนโลหะผสมที่อุณหภูมิสูงอาจทำให้เกรนหรือโดเมนผลึกแต่ละส่วนภายในโลหะขยายใหญ่ขึ้น ซึ่งทำให้พวกมันอ่อนตัวลง Cordero สามารถบรรลุโครงสร้างเม็ดละเอียดพิเศษประมาณ 130 นาโนเมตรในขนาดกะทัดรัด W-7Cr-9Fe ซึ่งได้รับการยืนยันโดยไมโครกราฟอิเล็กตรอน “การใช้เส้นทางการแปรรูปผงนี้ เราสามารถสร้างตัวอย่างขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 2 เซนติเมตร หรืออาจขยายใหญ่ขึ้นด้วยกำลังรับแรงอัดแบบไดนามิกที่ 4 GPa (กิกะปาสคาล) ความจริงที่ว่าเราสามารถผลิตวัสดุเหล่านี้โดยใช้กระบวนการที่ปรับขนาดได้นั้นอาจจะน่าประทับใจยิ่งกว่านั้นอีก” Cordero กล่าว

“สิ่งที่เราพยายามทำเป็นกลุ่มคือสร้างสิ่งของจำนวนมากด้วยโครงสร้างนาโนที่ละเอียด เหตุผลที่เราต้องการทำเช่นนั้นก็เพราะว่าวัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติที่น่าสนใจมากและมีศักยภาพในการนำไปใช้งานหลายประเภท” คอร์เดโรกล่าวเสริม

ไม่พบในธรรมชาติ

Cordero ยังตรวจสอบความแข็งแรงของผงโลหะผสมที่มีโครงสร้างจุลภาคระดับนาโนในรายงานวารสาร Acta Materialia Cordero ร่วมกับ Schuh ผู้เขียนอาวุโส ใช้ทั้งการจำลองทางคอมพิวเตอร์และการทดลองในห้องปฏิบัติการเพื่อแสดงให้เห็นว่าโลหะผสมของโลหะ เช่น ทังสเตนและโครเมียมที่มีความแข็งแกร่งเริ่มต้นใกล้เคียงกัน มีแนวโน้มที่จะทำให้เป็นเนื้อเดียวกันและผลิตผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่แข็งแกร่งขึ้น ในขณะที่การรวมกันของโลหะที่มีความแข็งแรงเริ่มต้นขนาดใหญ่ไม่ตรงกัน เนื่องจากทังสเตนและเซอร์โคเนียมมีแนวโน้มที่จะสร้างโลหะผสมที่อ่อนกว่าและมีมากกว่าหนึ่งเฟส

“กระบวนการกัดลูกบอลพลังงานสูงเป็นตัวอย่างหนึ่งของกระบวนการกลุ่มใหญ่ที่คุณเปลี่ยนรูปร่างของวัสดุเพื่อผลักดันโครงสร้างจุลภาคให้อยู่ในสถานะที่ไม่สมดุลอย่างแปลกประหลาด ไม่มีกรอบการทำงานที่ดีจริงๆ สำหรับการทำนายโครงสร้างจุลภาคที่ออกมา หลายครั้งที่นี่คือการลองผิดลองถูก เรากำลังพยายามขจัดประสบการณ์นิยมออกจากการออกแบบโลหะผสมที่จะก่อให้เกิดสารละลายของแข็งที่แพร่กระจายได้ ซึ่งเป็นตัวอย่างหนึ่งของระยะที่ไม่สมดุล” Cordero อธิบาย

“คุณสร้างระยะที่ไม่สมดุล ซึ่งเป็นสิ่งที่ปกติคุณจะไม่เห็นในโลกรอบตัวคุณ โดยธรรมชาติ โดยใช้กระบวนการเปลี่ยนรูปสุดขั้วเหล่านี้” เขากล่าว กระบวนการกัดลูกบอลพลังงานสูงเกี่ยวข้องกับการตัดผงโลหะซ้ำๆ โดยแรงเฉือนจะผลักดันองค์ประกอบโลหะผสมให้ผสมกันในขณะที่กระบวนการนำกลับมาใช้ใหม่ด้วยความร้อนที่แข่งขันกันช่วยให้โลหะผสมกลับสู่สถานะสมดุล ซึ่งในหลายกรณีคือการแยกเฟส . “จึงมีการแข่งขันระหว่างสองกระบวนการนี้” Cordero อธิบาย บทความของเขาเสนอแบบจำลองง่ายๆ ในการทำนายเคมีในโลหะผสมที่กำหนดซึ่งจะก่อให้เกิดสารละลายที่เป็นของแข็งและตรวจสอบความถูกต้องด้วยการทดลอง “ผงที่ผ่านการบดแล้วนั้นเป็นโลหะที่แข็งที่สุดที่ผู้คนเคยเห็นมา” คอร์เดโรกล่าว โดยการทดสอบพบว่าโลหะผสมทังสเตน-โครเมียมมีความแข็งระดับนาโนที่ 21 GPa นั่นทำให้พวกเขามีความแข็งเป็นสองเท่าของโลหะผสมที่มีเหล็กเป็นผลึกระดับนาโนหรือทังสเตนที่มีเม็ดหยาบ

โลหะวิทยาต้องการความยืดหยุ่น

ในคอมแพ็คโลหะผสมทังสเตน-โครเมียม-เหล็กเม็ดละเอียดพิเศษที่เขาศึกษา โลหะผสมจะดึงเหล็กขึ้นมาจากการเสียดสีของสื่อการบดเหล็กและขวดในระหว่างการกัดลูกบอลพลังงานสูง “แต่ปรากฎว่านั่นก็อาจเป็นสิ่งที่ดีเช่นกัน เพราะดูเหมือนว่ามันจะเร่งให้เกิดความหนาแน่นที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งจะช่วยลดระยะเวลาที่คุณต้องใช้ในอุณหภูมิสูงที่อาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคที่ไม่ดี” คอร์เดโรอธิบาย “สิ่งสำคัญคือการมีความยืดหยุ่นและการตระหนักถึงโอกาสในด้านโลหะวิทยา”

เม็ดโลหะผสมบดอัดตั้งอยู่ติดกับผงโลหะเหล็กทังสเตน-โครเมียมขณะบดในเรือที่ใช้สำหรับการชั่งน้ำหนักโลหะ ลูกเหล็กถูกใช้เพื่อทำให้โลหะเสียรูปในโรงสีลูกชิ้นพลังงานสูง เครดิต: Denis Paiste/ศูนย์แปรรูปวัสดุ
คอร์เดโรสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาฟิสิกส์จาก MIT ในปี 2010 และทำงานที่ Lawrence Berkeley National Lab เป็นเวลาหนึ่งปี ที่นั่น เขาได้รับแรงบันดาลใจจากเจ้าหน้าที่วิศวกรรมที่เรียนรู้จากนักโลหะวิทยารุ่นก่อนๆ ที่ผลิตถ้วยใส่ตัวอย่างพิเศษเพื่อกักเก็บพลูโตเนียมสำหรับโครงการแมนฮัตตันในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง “การได้ฟังสิ่งที่พวกเขากำลังทำอยู่ทำให้ฉันตื่นเต้นและกระตือรือร้นในการแปรรูปโลหะมาก มันยังสนุกมากอีกด้วย” คอร์เดโรกล่าว ในสาขาวิชาย่อยวัสดุศาสตร์อื่นๆ เขากล่าวว่า “คุณไม่สามารถเปิดเตาเผาที่อุณหภูมิ 1,000 C แล้วเห็นบางสิ่งเรืองแสงสีแดงร้อนได้ คุณไม่ได้รับสิ่งที่รักษาความร้อน” เขาคาดว่าจะสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกในปี 2558

แม้ว่างานปัจจุบันของเขาจะเน้นไปที่การใช้งานเชิงโครงสร้าง แต่การแปรรูปผงที่เขาทำอยู่ก็ใช้เพื่อสร้างวัสดุแม่เหล็กเช่นกัน “ข้อมูลและความรู้มากมายสามารถนำไปใช้กับสิ่งอื่นได้” เขากล่าว “แม้ว่านี่จะเป็นโลหะวิทยาโครงสร้างแบบดั้งเดิม แต่คุณสามารถประยุกต์โลหะวิทยาแบบเก่ากับวัสดุของโรงเรียนใหม่ได้”