Ang mga bagong haluang metal na tungsten na binuo sa Schuh Group sa MIT ay maaaring potensyal na palitan ang naubos na uranium sa mga projectiles na nagbubutas ng sandata. Ang pang-apat na taong materyales sa science at engineering na nagtapos na mag-aaral na si Zachary C. Cordero ay nagtatrabaho sa low-toxicity, high-strength, high-density na materyal para sa pagpapalit ng naubos na uranium sa structural military applications. Ang naubos na uranium ay nagdudulot ng potensyal na panganib sa kalusugan sa mga sundalo at sibilyan. "Iyan ang motibasyon sa pagsisikap na palitan ito," sabi ni Cordero.

Ang normal na tungsten ay magiging kabute o mapurol sa epekto, ang pinakamasamang posibleng pagganap. Kaya ang hamon ay bumuo ng isang haluang metal na maaaring tumugma sa pagganap ng naubos na uranium, na nagiging self-sharpening habang ito ay naggugupit ng materyal at nagpapanatili ng isang matangos na ilong sa penetrator-target na interface. "Ang Tungsten mismo ay napakalakas at matigas. Inilalagay namin ang iba pang mga elemento ng alloying upang gawin ito upang mapagsama namin ito sa bulk object na ito," sabi ni Cordero.

Ang isang tungsten alloy na may chromium at iron (W-7Cr-9Fe) ay makabuluhang mas malakas kaysa sa komersyal na tungsten alloys, iniulat ni Cordero sa isang papel na may senior author at Department of Materials Science and Engineering head na si Christopher A. Schuh at mga kasamahan sa journal Metallurgical and Materials Mga Transaksyon A. Ang pagpapabuti ay nakamit sa pamamagitan ng pag-compact ng mga metal powder sa isang field-assisted sintering hot press, na may pinakamahusay na resulta, na sinusukat ng pinong istraktura ng butil at pinakamataas na tigas, na nakamit sa oras ng pagproseso na 1 minuto sa 1,200 degrees Celsius. Ang mas mahabang oras ng pagproseso at mas mataas na temperatura ay humantong sa mas magaspang na butil at mas mahinang mekanikal na pagganap. Kasama sa mga kasamang may-akda ang MIT engineering at mga materyales na nagtapos sa agham na si Mansoo Park, ang Oak Ridge postdoctoral na kapwa Emily L. Huskins, ang Boise State Associate Professor na si Megan Frary at ang nagtapos na estudyante na si Steven Lives, at ang Army Research Laboratory mechanical engineer at pinuno ng koponan na si Brian E. Schuster. Ang mga sub-scale ballistic na pagsubok ng tungsten-chromium-iron alloy ay isinagawa din.

"Kung maaari kang gumawa ng alinman sa nanostructured o amorphous bulk tungsten (haluang metal), dapat talaga itong maging isang perpektong ballistic na materyal," sabi ni Cordero. Si Cordero, na tubong Bridgewater, NJ, ay nakatanggap ng National Defense Science and Engineering (NDSEG) Fellowship noong 2012 sa pamamagitan ng Air Force Office of Scientific Research. Ang kanyang pananaliksik ay pinondohan ng US Defense Threat Reduction Agency.

Ultrafine na istraktura ng butil

"Ang paraan ng paggawa ko ng aking mga materyales ay sa pagpoproseso ng pulbos kung saan ginagawa muna namin ang nanocrystalline powder at pagkatapos ay pinagsama namin ito sa isang bulk object. Ngunit ang hamon ay ang pagsasama-sama ay nangangailangan ng paglalantad ng materyal sa mas mataas na temperatura, "sabi ni Cordero. Ang pag-init ng mga haluang metal sa mataas na temperatura ay maaaring maging sanhi ng paglaki ng mga butil, o mga indibidwal na mala-kristal na domain, sa loob ng metal, na nagpapahina sa kanila. Nagawa ni Cordero na makamit ang ultrafine grain structure na humigit-kumulang 130 nanometer sa W-7Cr-9Fe compact, na kinumpirma ng electron micrographs. "Gamit ang ruta ng pagpoproseso ng pulbos na ito, maaari tayong gumawa ng malalaking sample na hanggang 2 sentimetro ang lapad, o maaari tayong maging mas malaki, na may dynamic na compressive strength na 4 GPa (gigapascals). Ang katotohanan na maaari nating gawin ang mga materyales na ito gamit ang isang scalable na proseso ay maaaring mas kahanga-hanga," sabi ni Cordero.

"Ang sinusubukan naming gawin bilang isang grupo ay gumawa ng maramihang bagay na may magagandang nanostructure. Ang dahilan kung bakit gusto namin iyon ay dahil ang mga materyales na ito ay may napakakagiliw-giliw na mga katangian na maaaring magamit sa maraming mga aplikasyon, "dagdag ni Cordero.

Hindi matatagpuan sa kalikasan

Sinuri din ni Cordero ang lakas ng mga pulbos ng metal na haluang metal na may mga nanoscale microstructure sa isang papel sa journal ng Acta Materialia. Ginamit ni Cordero, kasama ang senior author na si Schuh, ang parehong computational simulation at mga eksperimento sa laboratoryo upang ipakita na ang mga haluang metal ng mga metal gaya ng tungsten at chromium na may magkatulad na mga paunang lakas ay may posibilidad na mag-homogenize at makabuo ng mas malakas na produkto, samantalang ang mga kumbinasyon ng mga metal na may malaking paunang lakas ay hindi tumutugma sa gayong dahil ang tungsten at zirconium ay may posibilidad na makagawa ng isang mas mahina na haluang metal na may higit sa isang bahagi na naroroon.

"Ang proseso ng high-energy ball milling ay isang halimbawa ng isang mas malaking pamilya ng mga proseso kung saan nababago mo ang anyo ng materyal upang himukin ang microstructure nito sa isang kakaibang estado na hindi balanse. Walang magandang balangkas talaga para sa paghula sa microstructure na lalabas, kaya maraming beses na ito ay pagsubok at pagkakamali. Sinusubukan naming alisin ang empiricism mula sa pagdidisenyo ng mga haluang metal na bubuo ng isang metastable solid solution, na isang halimbawa ng isang non-equilibrium phase," paliwanag ni Cordero.

"Ginagawa mo ang mga non-equilibrium phase na ito, mga bagay na hindi mo karaniwang makikita sa mundo sa paligid mo, sa kalikasan, gamit ang mga talagang matinding proseso ng pagpapapangit na ito," sabi niya. Ang proseso ng high-energy ball milling ay nagsasangkot ng paulit-ulit na paggugupit ng mga pulbos na metal na may paggugupit na nagtutulak sa mga elemento ng haluang metal sa paghahalo habang nakikipagkumpitensya, ang thermally-activated recovery na mga proseso ay nagpapahintulot sa haluang metal na bumalik sa estado ng balanse nito, na sa maraming mga kaso ay magkakahiwalay na bahagi. . "Kaya mayroong kompetisyon sa pagitan ng dalawang prosesong ito," paliwanag ni Cordero. Ang kanyang papel ay iminungkahi ng isang simpleng modelo upang mahulaan ang mga chemistries sa isang naibigay na haluang metal na bubuo ng isang solidong solusyon at napatunayan ito sa mga eksperimento. "Ang mga as-milled na pulbos ay ilan sa mga pinakamahirap na metal na nakita ng mga tao," sabi ni Cordero, na binanggit ang mga pagsubok na nagpakita na ang tungsten-chromium alloy ay may nanoindentation hardness na 21 GPa. Ginagawa nitong halos doble ang tigas ng nanoindentation ng nanocrystalline iron-based alloys o coarse-grained tungsten.

Ang metalurhiya ay nangangailangan ng kakayahang umangkop

Sa ultrafine grain tungsten-chromium-iron alloy compacts na pinag-aralan niya, kinuha ng mga haluang metal ang bakal mula sa abrasion ng steel grinding media at vial sa panahon ng high-energy ball milling. "Ngunit lumalabas na maaari rin itong maging isang uri ng isang magandang bagay, dahil mukhang pinabilis nito ang densification sa mababang temperatura, na binabawasan ang dami ng oras na kailangan mong gastusin sa mga matataas na temperatura na maaaring humantong sa masamang pagbabago sa microstructure," Paliwanag ni Cordero. "Ang malaking bagay ay ang pagiging flexible at pagkilala sa mga pagkakataon sa metalurhiya."

Nagtapos si Cordero sa MIT noong 2010 na may bachelor's in physics at nagtrabaho ng isang taon sa Lawrence Berkeley National Lab. Doon, binigyang-inspirasyon siya ng mga tauhan ng inhinyero na natuto mula sa isang naunang henerasyon ng mga metalurgist na gumawa ng mga espesyal na crucibles upang hawakan ang plutonium para sa Manhattan Project noong World War II. “Napatuwa ako nang marinig ang uri ng mga bagay na ginagawa nila at masigasig ako sa pagproseso ng mga metal. Sobrang saya lang din,” Cordero says. Sa iba pang mga sub-discipline ng agham ng materyal, sabi niya, “Hindi ka makakapagbukas ng pugon sa 1,000 C, at makakita ng isang bagay na kumikinang na pula. Hindi ka marunong magpainit ng mga bagay-bagay.” Inaasahan niyang matatapos ang kanyang PhD sa 2015.

Bagama't ang kanyang kasalukuyang trabaho ay nakatuon sa mga structural application, ang uri ng pagpoproseso ng pulbos na kanyang ginagawa ay ginagamit din upang gumawa ng mga magnetic na materyales. "Maraming impormasyon at kaalaman ang maaaring magamit sa iba pang mga bagay," sabi niya. "Kahit na ito ay tradisyonal na structural metalurgy, maaari mong ilapat ang old-school metalurgy na ito sa mga bagong-paaralan na materyales."