Nove legure volframa koje se razvijaju u Schuh Grupi na MIT-u mogle bi potencijalno zamijeniti osiromašeni uranijum u projektilima za probijanje oklopa. Diplomirani student četvrte godine nauke o materijalima i inženjerstva Zachary C. Cordero radi na materijalu niske toksičnosti, visoke čvrstoće i visoke gustine za zamjenu osiromašenog uranijuma u strukturalnim vojnim primjenama. Osiromašeni uranijum predstavlja potencijalnu opasnost po zdravlje vojnika i civila. „To je motivacija da pokušate da ga zamijenite“, kaže Cordero.

Normalni volfram bi se pojavio kao pečurka ili bi se tupio pri udaru, što je najgore moguće performanse. Dakle, izazov je razviti leguru koja može da odgovara performansama osiromašenog uranijuma, koji postaje samooštren dok odsijeca materijal i održava oštar nos na sučelju penetratora i mete. “Volfram je sam po sebi izuzetno jak i tvrd. Stavili smo druge legirne elemente kako bismo ga napravili tako da ga možemo konsolidirati u ovaj masivni objekt“, kaže Cordero.

Legura volframa sa hromom i željezom (W-7Cr-9Fe) bila je znatno jača od komercijalnih legura volframa, izvijestio je Cordero u radu sa starijim autorom i šefom Odjeljenja za nauku o materijalima i inženjerstvu Christopherom A. Schuhom i kolegama u časopisu Metallurgical and Materials Transakcije A. Poboljšanje je postignuto sabijanjem metalnih prahova u toploj presi za sinterovanje uz pomoć polja, sa najboljim rezultatom, merenim finozrnastom strukturom i najvećom tvrdoćom, postignutim u vremenu obrade od 1 minuta na 1200 stepeni Celzijusa. Duže vrijeme obrade i više temperature doveli su do krupnijih zrna i slabijih mehaničkih performansi. Među koautorima su bili diplomirani student inženjerstva i nauke o materijalima na MIT-u Mansoo Park, postdoktorski kolega iz Oak Ridgea Emily L. Huskins, vanredna profesorica u državi Boise Megan Frary i diplomirani student Steven Livers, te mašinski inženjer i vođa tima Brian E. Schuster u Laboratoriji za istraživanje vojske. Izvršena su i balistička ispitivanja legure volfram-hrom-gvožđe na podskali.

"Ako možete napraviti nanostrukturirani ili amorfni volfram (legura), to bi zaista trebao biti idealan balistički materijal", kaže Cordero. Cordero, rodom iz Bridgewatera, NJ, dobio je stipendiju za nauku i inženjerstvo nacionalne odbrane (NDSEG) 2012. godine preko Ureda za naučna istraživanja Ratnog zrakoplovstva. Njegovo istraživanje je finansirala Američka agencija za smanjenje prijetnji u obrambenoj oblasti.

Ultrafina zrnasta struktura

„Način na koji pravim svoje materijale je obrada praha gde prvo pravimo nanokristalni prah, a zatim ga konsolidujemo u glomazni predmet. Ali izazov je u tome što konsolidacija zahtijeva izlaganje materijala višim temperaturama”, kaže Cordero. Zagrijavanje legura na visoke temperature može uzrokovati povećanje zrna ili pojedinačnih kristalnih domena unutar metala, što ih slabi. Cordero je uspio postići ultrafinu zrnastu strukturu od oko 130 nanometara u kompaktu W-7Cr-9Fe, što je potvrđeno elektronskim mikrografijama. „Upotrebom ove rute za obradu praha, možemo napraviti velike uzorke prečnika do 2 centimetra, ili možemo ići i veće, sa dinamičkom čvrstoćom na pritisak od 4 GPa (gigapaskala). Činjenica da možemo napraviti ove materijale pomoću skalabilnog procesa je možda još impresivnija“, kaže Cordero.

„Ono što pokušavamo da uradimo kao grupa je da pravimo velike stvari sa finim nanostrukturama. Razlog zašto to želimo je zato što ovi materijali imaju vrlo interesantna svojstva koja su potencijalno korisna u mnogim aplikacijama,” dodaje Cordero.

Ne nalazi se u prirodi

Cordero je takođe ispitao čvrstoću prahova metalnih legura sa mikrostrukturom nanorazmera u časopisu Acta Materialia. Cordero, sa starijim autorom Schuhom, koristio je i računske simulacije i laboratorijske eksperimente kako bi pokazao da legure metala kao što su volfram i hrom sa sličnim početnim čvrstoćama imaju tendenciju homogenizacije i proizvodnje jačeg krajnjeg proizvoda, dok kombinacije metala s velikim neusklađenošću početne čvrstoće kao što je pošto su volfram i cirkonijum imali tendenciju da proizvedu slabiju leguru sa više od jedne faze.

“Proces visokoenergetskog mljevenja kuglicama je jedan primjer veće porodice procesa u kojima deformišete jebeni materijal kako biste njegovu mikrostrukturu doveli u čudno neravnotežno stanje. Zaista ne postoji dobar okvir za predviđanje mikrostrukture koja izlazi, tako da se često radi o pokušajima i greškama. Pokušavali smo da uklonimo empirizam iz dizajniranja legura koje će formirati metastabilnu čvrstu otopinu, što je jedan primjer neravnotežne faze“, objašnjava Cordero.

“Vi proizvodite ove neravnotežne faze, stvari koje inače ne biste vidjeli u svijetu oko sebe, u prirodi, koristeći ove zaista ekstremne procese deformacije,” kaže on. Proces visokoenergetskog mljevenja kuglicama uključuje ponavljano smicanje metalnog praha sa smicanjem koji dovodi do miješanja legirajućih elemenata dok konkurentni, termički aktivirani procesi oporavka omogućavaju leguri da se vrati u svoje ravnotežno stanje, što je u mnogim slučajevima da se odvoji po fazama. . „Dakle, postoji konkurencija između ova dva procesa“, objašnjava Cordero. Njegov rad je predložio jednostavan model za predviđanje hemije u datoj leguri koja će formirati čvrstu otopinu i potvrdio ga eksperimentima. “Prahovi koji su mljeveni su neki od najtvrđih metala koje su ljudi vidjeli,” kaže Cordero, napominjući da su testovi pokazali da legura volfram-hrom ima tvrdoću nanoindentiranja od 21 GPa. To ih čini otprilike dvostruko većom od nanoindentacione tvrdoće od nanokristalnih legura na bazi željeza ili krupnozrnog volframa.

Metalurgija zahtijeva fleksibilnost

U kompaktnim kompaktima od legura volfram-hrom-gvožđa ultra finog zrna koje je proučavao, legure su pokupile gvožđe od abrazije čeličnog medijuma za mlevenje i bočice tokom visokoenergetskog mlevenja sa kuglicama. "Ali ispostavilo se da to može biti i dobra stvar, jer izgleda da ubrzava zgušnjavanje na niskim temperaturama, što smanjuje količinu vremena koje morate provesti na tim visokim temperaturama koje bi mogle dovesti do loših promjena u mikrostrukturi", Cordero objašnjava. “Velika stvar je biti fleksibilan i prepoznati mogućnosti u metalurgiji.”

Zbijena kuglica od legure metala nalazi se pored mljevenog metalnog praha volframa i hroma u čamcu koji se koristi za vaganje metala. Čelične kuglice se koriste za deformaciju metala u visokoenergetskom kugličnom mlinu. Zasluge: Denis Paiste/Centar za obradu materijala
Cordero je diplomirao na MIT-u 2010. godine sa diplomom fizike i radio je godinu dana u Lawrence Berkeley National Lab. Tamo ga je inspirisalo inženjersko osoblje koje je naučilo od ranije generacije metalurga koji su pravili posebne lonce za držanje plutonijuma za projekat Menhetn tokom Drugog svetskog rata. „Slušajući stvari na kojima su radili veoma sam se uzbudio i zainteresovao za obradu metala. Takođe je jako zabavno,” kaže Cordero. U drugim poddisciplinama nauke o materijalima, on kaže: „Ne možete otvoriti peć na 1000 C i vidjeti nešto usijano. Ne možete termički obraditi stvari.” Očekuje da će doktorirati 2015.

Iako je njegov trenutni rad fokusiran na strukturalne primjene, vrsta obrade praha koju radi također se koristi za izradu magnetnih materijala. “Mnoge informacije i znanja mogu se primijeniti na druge stvari”, kaže on. “Iako je ovo tradicionalna strukturna metalurgija, ovu metalurgiju stare škole možete primijeniti na materijale nove škole.”