MIT'deki Schuh Grubu'nda geliştirilmekte olan yeni tungsten alaşımları, potansiyel olarak zırh delici mermilerdeki tükenmiş uranyumun yerini alabilir. Dördüncü sınıf malzeme bilimi ve mühendisliği yüksek lisans öğrencisi Zachary C. Cordero, yapısal askeri uygulamalarda tükenmiş uranyumun yerini alacak düşük toksisiteli, yüksek mukavemetli, yüksek yoğunluklu malzeme üzerinde çalışıyor. Seyreltilmiş uranyum askerler ve siviller için potansiyel sağlık tehlikesi oluşturmaktadır. Cordero, "Onu değiştirmeye çalışmanın motivasyonu bu" diyor.

Normal tungsten çarpma anında mantar gibi çoğalır veya körelir; bu da mümkün olan en kötü performanstır. Dolayısıyla asıl zorluk, malzemeyi kestikçe kendiliğinden bilenen ve delici-hedef arayüzünde keskin bir burnu koruyan, tükenmiş uranyumun performansıyla eşleşebilecek bir alaşım geliştirmektir. "Tungsten tek başına son derece güçlü ve serttir. Cordero, "Bunu bu büyük nesnede birleştirebilmek için başka alaşım elementleri de ekledik" diyor.

Cordero, kıdemli yazar ve Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü başkanı Christopher A. Schuh ve Metallurgical and Materials dergisindeki meslektaşlarıyla birlikte yazdığı bir makalede, krom ve demir içeren bir tungsten alaşımının (W-7Cr-9Fe) ticari tungsten alaşımlarından önemli ölçüde daha güçlü olduğunu bildirdi. İşlemler A. İyileştirme, metal tozlarının saha destekli sinterleme sıcak presinde sıkıştırılmasıyla elde edildi; ince taneli yapı ve en yüksek sertlik ile ölçülen en iyi sonuç, 1.200 santigrat derecede 1 dakikalık bir işlem süresinde elde edildi. Daha uzun işlem süreleri ve daha yüksek sıcaklıklar, daha iri tanelere ve daha zayıf mekanik performansa yol açtı. Ortak yazarlar arasında MIT mühendislik ve malzeme bilimi yüksek lisans öğrencisi Mansoo Park, Oak Ridge doktora sonrası araştırmacı Emily L. Huskins, Boise Eyaleti Doçenti Megan Frary ve yüksek lisans öğrencisi Steven Livers ile Ordu Araştırma Laboratuvarı makine mühendisi ve ekip lideri Brian E. Schuster yer aldı. Tungsten-krom-demir alaşımının alt ölçekli balistik testleri de yapıldı.

Cordero, "Eğer nanoyapılı veya amorf toplu tungsten (alaşım) yapabiliyorsanız, bu gerçekten ideal bir balistik malzeme olmalıdır" diyor. Bridgewater, NJ yerlisi olan Cordero, 2012 yılında Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Dairesi aracılığıyla Ulusal Savunma Bilimi ve Mühendisliği (NDSEG) Bursu aldı. Araştırması ABD Savunma Tehditlerini Azaltma Ajansı tarafından finanse ediliyor.

Ultra ince tane yapısı

"Malzemelerimi toz işleme yöntemiyle yapıyorum; burada önce nanokristal toz yapıyoruz ve ardından onu toplu bir nesne halinde birleştiriyoruz. Ancak zorluk, konsolidasyonun malzemenin daha yüksek sıcaklıklara maruz bırakılmasını gerektirmesidir" diyor Cordero. Alaşımların yüksek sıcaklıklara ısıtılması, metal içindeki tanelerin veya bireysel kristal alanların genişlemesine neden olarak onları zayıflatabilir. Cordero, W-7Cr-9Fe kompaktında yaklaşık 130 nanometrelik ultra ince tane yapısı elde etmeyi başardı ve bu, elektron mikrograflarıyla da doğrulandı. "Bu toz işleme yolunu kullanarak çapı 2 santimetreye kadar büyük numuneler yapabiliriz veya 4 GPa'lık (gigapascal) dinamik basınç dayanımıyla daha büyük numuneler üretebiliriz. Bu malzemeleri ölçeklenebilir bir süreç kullanarak üretebiliyor olmamız belki daha da etkileyici," diyor Cordero.

"Grup olarak yapmaya çalıştığımız şey, ince nanoyapılara sahip toplu şeyler yapmak. Bunu istememizin nedeni, bu malzemelerin birçok uygulamada potansiyel olarak kullanılabilecek çok ilginç özelliklere sahip olmasıdır" diye ekliyor Cordero.

Doğada bulunmaz

Cordero ayrıca bir Acta Materialia dergi makalesinde nano ölçekli mikro yapılara sahip metal alaşımlı tozların gücünü de inceledi. Cordero, kıdemli yazar Schuh ile birlikte, benzer başlangıç ​​dayanımlarına sahip tungsten ve krom gibi metal alaşımlarının homojenleşme ve daha güçlü bir son ürün üretme eğiliminde olduğunu göstermek için hem hesaplamalı simülasyonları hem de laboratuvar deneylerini kullandı; oysa büyük başlangıç ​​dayanım uyumsuzluğuna sahip metallerin kombinasyonları bu kadar yüksekti. Tungsten ve zirkonyum birden fazla fazın mevcut olduğu daha zayıf bir alaşım üretme eğilimindeydi.

"Yüksek enerjili bilyeli öğütme işlemi, malzemenin mikro yapısını garip bir denge dışı duruma getirmek için deforme ettiğiniz daha geniş bir süreç ailesinin bir örneğidir. Ortaya çıkan mikro yapıyı tahmin etmek için gerçekten iyi bir çerçeve yok, bu yüzden çoğu zaman bu deneme yanılmadır. Denge dışı fazın bir örneği olan, yarı kararlı bir katı çözüm oluşturacak alaşımların tasarımında ampirizmi ortadan kaldırmaya çalışıyorduk," diye açıklıyor Cordero.

"Bu denge dışı aşamaları, normalde çevrenizdeki dünyada ve doğada göremeyeceğiniz şeyleri, gerçekten aşırı deformasyon süreçlerini kullanarak üretiyorsunuz" diyor. Yüksek enerjili bilyeli öğütme işlemi, metal tozlarının tekrar tekrar kesilmesini ve bu kesme işleminin alaşım elementlerini birbirine karışmasını sağlarken, termal olarak etkinleştirilen geri kazanım işlemleri alaşımın denge durumuna geri dönmesine izin verir ve bu da birçok durumda fazların ayrılması anlamına gelir. . Cordero, "Yani bu iki süreç arasında bir rekabet var" diye açıklıyor. Makalesi, belirli bir alaşımdaki katı bir çözelti oluşturacak kimyaları tahmin etmek için basit bir model önerdi ve bunu deneylerle doğruladı. Cordero, "Öğütülmüş tozlar insanların gördüğü en sert metallerden bazılarıdır" diyor ve testlerin tungsten-krom alaşımının 21 GPa nanoindentasyon sertliğine sahip olduğunu gösterdiğine dikkat çekiyor. Bu onları nanokristalin demir bazlı alaşımların veya kaba taneli tungstenin nanoindentasyon sertliğini yaklaşık iki katına çıkarır.

Metalurji esneklik gerektirir

İncelediği ultra ince taneli tungsten-krom-demir alaşımı kompaktlarında, alaşımlar, yüksek enerjili bilyalı öğütme sırasında çelik öğütme ortamının ve şişenin aşınmasından demiri aldı. "Fakat bunun aynı zamanda iyi bir şey olabileceği de ortaya çıktı, çünkü düşük sıcaklıklarda yoğunlaşmayı hızlandırıyor gibi görünüyor, bu da mikro yapıda kötü değişikliklere yol açabilecek yüksek sıcaklıklarda harcamanız gereken süreyi azaltıyor." Cordero açıklıyor. "Önemli olan esnek olmak ve metalurjideki fırsatların farkına varmaktır."

Sıkıştırılmış bir metal alaşımlı pelet, metalleri tartmak için kullanılan bir teknede öğütülmüş tungsten-krom demir metal tozlarının yanında bulunur. Çelik bilyalar, yüksek enerjili bilyalı değirmende metalleri deforme etmek için kullanılır. Kredi bilgileri: Denis Paiste/Malzeme İşleme Merkezi
Cordero, 2010 yılında MIT'den fizik alanında lisans derecesiyle mezun oldu ve bir yıl boyunca Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda çalıştı. Orada, İkinci Dünya Savaşı sırasında Manhattan Projesi için plütonyum tutmak için özel potalar yapan eski nesil metalurji uzmanlarından bilgi alan mühendislik ekibinden ilham aldı. "Üzerinde çalıştıkları şeyleri duymak beni çok heyecanlandırdı ve metal işleme konusunda merak uyandırdı. Aynı zamanda çok da eğlenceli” diyor Cordero. Diğer malzeme bilimi alt disiplinlerinde şöyle diyor: “1000°C'deki bir fırını açtığınızda kıpkırmızı parlayan bir şey göremezsiniz. Eşyalara ısıl işlem uygulayamazsınız. Doktorasını 2015 yılında bitirmeyi planlıyor.

Şu anki çalışmaları yapısal uygulamalara odaklanmış olsa da, yaptığı toz işleme türü aynı zamanda manyetik malzemelerin yapımında da kullanılıyor. "Bilgi ve birikimlerin çoğu başka şeylere uygulanabilir" diyor. "Bu geleneksel yapısal metalurji olsa da, bu eski tarz metalurjiyi yeni tarz malzemelere uygulayabilirsiniz."