Els nous aliatges de tungstè que s'estan desenvolupant al Grup Schuh del MIT podrien substituir l'urani empobrit en projectils perforants. Zachary C. Cordero, estudiant de postgrau en ciències i enginyeria dels materials de quart any, està treballant en material de baixa toxicitat, alta resistència i alta densitat per substituir l'urani empobrit en aplicacions militars estructurals. L'urani empobrit suposa un perill potencial per a la salut dels soldats i dels civils. "Aquesta és la motivació per intentar substituir-lo", diu Cordero.

El tungstè normal faria bolets o embotaria a l'impacte, el pitjor rendiment possible. Per tant, el repte és desenvolupar un aliatge que pugui igualar el rendiment de l'urani empobrit, que s'autoafila a mesura que talla el material i manté un nas afilat a la interfície penetrador-objectiu. "El tungstè per si mateix és excepcionalment fort i dur. Hi posem altres elements d'aliatge per fer-lo perquè puguem consolidar-lo en aquest objecte a granel", diu Cordero.

Un aliatge de tungstè amb crom i ferro (W-7Cr-9Fe) era significativament més fort que els aliatges comercials de tungstè, va informar Cordero en un article amb l'autor principal i cap del Departament de Ciència i Enginyeria de Materials Christopher A. Schuh i els seus col·legues a la revista Metallurgical and Materials. Transaccions A. La millora es va aconseguir compactant pols metàl·liques en una premsa en calent de sinterització assistida en camp, amb el millor resultat, mesurat per la estructura de gra fi i màxima duresa, aconseguida en un temps de processament d'1 minut a 1.200 graus centígrads. Temps de processament més llargs i temperatures més altes van provocar grans més gruixuts i un rendiment mecànic més feble. Els coautors van incloure l'estudiant de postgrau en enginyeria i ciències dels materials del MIT Mansoo Park, la becària postdoctoral d'Oak Ridge Emily L. Huskins, la professora associada de l'estat de Boise Megan Frary i l'estudiant de postgrau Steven Livers i l'enginyer mecànic i líder de l'equip de l'Army Research Laboratory Brian E. Schuster. També s'han realitzat proves balístiques a subescala de l'aliatge de tungstè-crom-ferro.

"Si podeu fer tungstè a granel nanoestructurat o amorf (aliatge), realment hauria de ser un material balístic ideal", diu Cordero. Cordero, natural de Bridgewater, NJ, va rebre una beca de Ciència i Enginyeria de Defensa Nacional (NDSEG) el 2012 a través de l'Oficina d'Investigació Científica de la Força Aèria. La seva investigació està finançada per l'Agència de Reducció de l'Amenaça de Defensa dels EUA.

Estructura de gra ultrafina

"La manera com faig els meus materials és amb el processament de pols on primer fem pols nanocristal·lina i després la consolidem en un objecte a granel. Però el repte és que la consolidació requereix exposar el material a temperatures més altes", diu Cordero. L'escalfament dels aliatges a altes temperatures pot provocar que els grans, o dominis cristal·lins individuals, dins del metall s'ampliïn, la qual cosa els debilita. Cordero va poder aconseguir una estructura de gra ultrafina d'uns 130 nanòmetres en el compacte W-7Cr-9Fe, confirmat per micrografies electròniques. “Utilitzant aquesta ruta de processament de pols, podem fer mostres grans de fins a 2 centímetres de diàmetre, o podríem anar més grans, amb forces dinàmiques de compressió de 4 GPa (gigapascals). El fet que puguem fabricar aquests materials mitjançant un procés escalable és potser encara més impressionant", diu Cordero.

"El que estem intentant fer com a grup és fer coses a granel amb nanoestructures fines. El motiu pel qual ho volem és perquè aquests materials tenen propietats molt interessants que són d'ús potencial en moltes aplicacions", afegeix Cordero.

No es troba a la natura

Cordero també va examinar la resistència de les pols d'aliatge metàl·lic amb microestructures a nanoescala en un article de la revista Acta Materialia. Cordero, amb l'autor principal Schuh, va utilitzar simulacions computacionals i experiments de laboratori per demostrar que els aliatges de metalls com el tungstè i el crom amb forces inicials similars tendien a homogeneïtzar-se i produir un producte final més fort, mentre que les combinacions de metalls amb una gran desajust de resistència inicial, com ara ja que el tungstè i el zirconi tendeixen a produir un aliatge més feble amb més d'una fase present.

"El procés de fresat de boles d'alta energia és un exemple d'una família més gran de processos en què es deforme el material per conduir la seva microestructura a un estrany estat de no equilibri. Realment no hi ha un bon marc per predir la microestructura que surt, així que moltes vegades això és assaig i error. Estàvem intentant eliminar l'empirisme del disseny d'aliatges que formaran una solució sòlida metaestable, que és un exemple d'una fase de no equilibri", explica Cordero.

"Vostè produeix aquestes fases sense equilibri, coses que normalment no veuríeu al món que us envolta, a la natura, utilitzant aquests processos de deformació realment extrems", diu. El procés de mòlta de boles d'alta energia implica el cisallament repetit de les pols metàl·liques amb el cisallament que condueix els elements d'aliatge a barrejar-se mentre competeixen, els processos de recuperació activats tèrmicament permeten que l'aliatge torni al seu estat d'equilibri, que en molts casos és separar-se en fases. . "Per tant, hi ha aquesta competència entre aquests dos processos", explica Cordero. El seu article va proposar un model senzill per predir químiques en un aliatge determinat que formarà una solució sòlida i la va validar amb experiments. "Les pols fresades són alguns dels metalls més durs que la gent ha vist", diu Cordero, i va assenyalar que les proves van demostrar que l'aliatge de tungstè-crom té una duresa de nanoindentació de 21 GPa. Això els fa aproximadament el doble de la duresa de nanoindentació dels aliatges a base de ferro nanocristal·lí o el tungstè de gra gruixut.

La metal·lúrgia requereix flexibilitat

En els compactes d'aliatge de tungstè-crom-ferro de gra ultrafin que va estudiar, els aliatges van recollir el ferro de l'abrasió dels mitjans de mòlta d'acer i del vial durant la mòlta de boles d'alta energia. "Però resulta que també pot ser una cosa bona, perquè sembla que accelera la densificació a baixes temperatures, la qual cosa redueix la quantitat de temps que has de passar a aquestes altes temperatures que podrien provocar canvis dolents en la microestructura". Cordero explica. "El més important és ser flexible i reconèixer les oportunitats de la metal·lúrgia".

Un pellet d'aliatge metàl·lic compactat es troba al costat de pols metàl·liques de ferro de tungstè i crom fresats en un vaixell utilitzat per pesar els metalls. Les boles d'acer s'utilitzen per deformar els metalls en un molí de boles d'alta energia. Crèdit: Denis Paiste/Centre de processament de materials
Cordero es va graduar al MIT el 2010 amb una llicenciatura en física i va treballar durant un any al Lawrence Berkeley National Lab. Allà, es va inspirar en el personal d'enginyeria que va aprendre d'una generació anterior de metal·lúrgics que feien gresols especials per contenir plutoni per al Projecte Manhattan durant la Segona Guerra Mundial. "Escoltar el tipus de coses en què estaven treballant em va emocionar molt i em va interessar el processament dels metalls. També és molt divertit", diu Cordero. En altres subdisciplines de ciència dels materials, diu: "No s'obre un forn a 1.000 ºC i veus alguna cosa que brilla al vermell. No pots tractar coses amb calor. ” Espera acabar el seu doctorat el 2015.

Tot i que el seu treball actual se centra en aplicacions estructurals, el tipus de processament de pols que està fent també s'utilitza per fer materials magnètics. "Molta de la informació i el coneixement es poden aplicar a altres coses", diu. "Tot i que es tracta d'una metal·lúrgia estructural tradicional, podeu aplicar aquesta metal·lúrgia de la vella escola als materials de la nova escola".