Нови волфрамови сплави, разработвани в групата Schuh в MIT, потенциално биха могли да заменят обеднения уран в бронебойни снаряди. Студентът по материалознание и инженерство от четвърта година Zachary C. Cordero работи върху материал с ниска токсичност, висока якост и висока плътност за заместване на обеднен уран в структурни военни приложения. Обедненият уран представлява потенциална опасност за здравето на войниците и цивилните. „Това е мотивацията да се опитаме да го заменим“, казва Кордеро.

Нормалният волфрам ще изникне или ще се изтъпи при удар, най-лошото възможно представяне. Така че предизвикателството е да се разработи сплав, която може да съответства на производителността на обеднен уран, който става самозаточващ се, докато отрязва материала и поддържа остър нос на интерфейса пенетратор-мишена. „Волфрамът сам по себе си е изключително здрав и твърд. Влагаме други легиращи елементи, за да го направим така, че да можем да го консолидираме в този обемен обект“, казва Кордеро.

Волфрамова сплав с хром и желязо (W-7Cr-9Fe) е значително по-здрава от търговските волфрамови сплави, съобщава Кордеро в статия със старши автор и ръководител на отдела по материалознание и инженерство Кристофър А. Шух и колеги в списание Metallurgical and Materials Транзакции A. Подобрението е постигнато чрез уплътняване на метални прахове в гореща преса за синтероване с помощта на полето, с най-добър резултат, измерен чрез фина зърнеста структура и най-висока твърдост, постигнати при време за обработка от 1 минута при 1200 градуса по Целзий. По-дългите времена за обработка и по-високите температури доведоха до по-груби зърна и по-слаби механични характеристики. Съавторите включваха студента по инженерство и наука за материалите на Масачузетския технологичен институт Мансу Парк, постдокторантката от Оук Ридж Емили Л. Хъскинс, доцента от щата Бойзи Меган Фрай и студента Стивън Ливърс, както и машинния инженер и ръководител на екипа на Армейската изследователска лаборатория Брайън Е. Шустър. Извършени са и подмащабни балистични тестове на сплавта волфрам-хром-желязо.

„Ако можете да направите или наноструктуриран, или аморфен насипен волфрам (сплав), това наистина трябва да е идеален балистичен материал“, казва Кордеро. Кордеро, родом от Бриджуотър, Ню Джърси, получи стипендия за национална отбранителна наука и инженерство (NDSEG) през 2012 г. чрез Службата за научни изследвания на ВВС. Изследването му е финансирано от Агенцията за намаляване на заплахите на отбраната на САЩ.

Ултра фина зърнеста структура

„Начинът, по който правя моите материали, е с обработка на прах, където първо правим нанокристален прах и след това го консолидираме в обемен обект. Но предизвикателството е, че консолидацията изисква излагане на материала на по-високи температури“, казва Кордеро. Нагряването на сплавите до високи температури може да доведе до увеличаване на зърната или отделните кристални области в метала, което ги отслабва. Cordero успя да постигне ултра фина зърнеста структура от около 130 нанометра в компактния W-7Cr-9Fe, потвърдена от електронни микрографии. „Използвайки този път за обработка на прах, можем да направим големи проби с диаметър до 2 сантиметра или можем да станем по-големи, с динамична якост на натиск от 4 GPa (гигапаскала). Фактът, че можем да направим тези материали с помощта на мащабируем процес, е може би дори още по-впечатляващ“, казва Кордеро.

„Това, което се опитваме да направим като група, е да правим обемни неща с фини наноструктури. Причината, поради която искаме това, е, че тези материали имат много интересни свойства, които могат да бъдат използвани в много приложения“, добавя Кордеро.

Не се среща в природата

Кордеро също изследва здравината на праховете от метални сплави с наномащабни микроструктури в публикация на списание Acta Materialia. Cordero, със старши автор Schuh, използва както изчислителни симулации, така и лабораторни експерименти, за да покаже, че сплави от метали като волфрам и хром с подобни начални якости са склонни да се хомогенизират и да произвеждат по-силен краен продукт, докато комбинации от метали с голямо несъответствие на началната якост, като тъй като волфрамът и цирконият са склонни да произвеждат по-слаба сплав с повече от една присъстваща фаза.

„Процесът на високоенергийна топкова мелница е един пример за по-голямо семейство от процеси, при които деформирате материала, за да доведете неговата микроструктура до странно неравновесно състояние. Няма наистина добра рамка за прогнозиране на микроструктурата, която излиза, така че много пъти това е проба-грешка. Опитвахме се да премахнем емпиризма от проектирането на сплави, които ще образуват метастабилен твърд разтвор, което е един пример за неравновесна фаза“, обяснява Кордеро.

„Вие произвеждате тези неравновесни фази, неща, които обикновено не бихте виждали в света около вас, в природата, използвайки тези наистина екстремни процеси на деформация“, казва той. Процесът на високоенергийно топково смилане включва многократно срязване на металните прахове, като срязването кара легиращите елементи да се смесват, докато се конкурират, термично активирани процеси на възстановяване позволяват на сплавта да се върне в равновесното си състояние, което в много случаи е разделяне на фазите . „Така че има конкуренция между тези два процеса“, обяснява Кордеро. Неговата статия предложи прост модел за предсказване на химикали в дадена сплав, която ще образува твърд разтвор и го потвърди с експерименти. „Смлените прахове са едни от най-твърдите метали, които хората са виждали“, казва Кордеро, отбелязвайки, че тестовете показват, че сплавта волфрам-хром има твърдост на наноиндентация от 21 GPa. Това ги прави около два пъти по-високи от твърдостта на наноиндентация от нанокристалните сплави на основата на желязо или едрозърнестия волфрам.

Металургията изисква гъвкавост

В компактираните сплави от ултрафини зърна на волфрам-хром-желязо, които той изследва, сплавите поеха желязото от абразията на стоманената мелница и флакона по време на високоенергийно смилане с топка. „Но се оказва, че това също може да е нещо добро, защото изглежда, че ускорява уплътняването при ниски температури, което намалява времето, което трябва да прекарате при тези високи температури, което може да доведе до лоши промени в микроструктурата,“ Кордеро обяснява. „Голямото нещо е да бъдеш гъвкав и да разпознаваш възможностите в металургията.“

Кордеро завършва MIT през 2010 г. с бакалавърска степен по физика и работи една година в Националната лаборатория на Лорънс Бъркли. Там той е вдъхновен от инженерния персонал, който се е научил от по-ранно поколение металурзи, които са направили специални тигли за задържане на плутоний за проекта Манхатън по време на Втората световна война. „Като чух какви неща работят, ме развълнувах много и се запалих по обработката на метали. Освен това е много забавно“, казва Кордеро. В други поддисциплини на науката за материалите той казва: „Не можете да отворите пещ при 1000 C и да видите нещо, което свети до червено. Не можете да термично обработвате неща. Очаква да завърши докторантурата си през 2015 г.

Въпреки че текущата му работа е фокусирана върху структурни приложения, видът обработка на прах, който прави, се използва и за производството на магнитни материали. „Голяма част от информацията и знанията могат да се приложат към други неща“, казва той. „Въпреки че това е традиционна структурна металургия, можете да приложите тази металургия от старата школа към материали от новата школа.“