Nové slitiny wolframu vyvíjené ve skupině Schuh na MIT by mohly potenciálně nahradit ochuzený uran v projektilech prorážejících pancéřování. Student čtvrtého ročníku materiálových věd a inženýrství Zachary C. Cordero pracuje na materiálu s nízkou toxicitou, vysokou pevností a vysokou hustotou, který by nahradil ochuzený uran ve strukturálních vojenských aplikacích. Ochuzený uran představuje potenciální zdravotní riziko pro vojáky a civilisty. "To je motivace pro pokus o jeho nahrazení," říká Cordero.

Normální wolfram by se při nárazu zhroutil nebo otupil, což je nejhorší možný výkon. Úkolem je tedy vyvinout slitinu, která by se mohla vyrovnat výkonu ochuzeného uranu, který se stane samoostřícím, když odstřihne materiál a zachová si ostrý nos na rozhraní penetrátor-cíl. „Tungsten je sám o sobě mimořádně pevný a tvrdý. Vložili jsme další legovací prvky, abychom to vyrobili, abychom to mohli konsolidovat do tohoto hromadného předmětu,“ říká Cordero.

Slitina wolframu s chromem a železem (W-7Cr-9Fe) byla výrazně pevnější než komerční slitiny wolframu, uvedl Cordero v článku s hlavním autorem a vedoucím katedry materiálových věd a inženýrství Christopherem A. Schuhem a kolegy v časopise Metallurgical and Materials. Transakce A. Zlepšení bylo dosaženo zhutněním kovových prášků v slinovacím horkém lisu s asistovaným provozem s nejlepším výsledkem, měřeno jemnozrnnou strukturou a nejvyšší tvrdostí, dosaženým při době zpracování 1 minuta při 1200 stupních Celsia. Delší doby zpracování a vyšší teploty vedly k hrubším zrnům a slabšímu mechanickému výkonu. Mezi spoluautory patřili postgraduální student inženýrství a vědy o materiálech z MIT Mansoo Park, postdoktorandka z Oak Ridge Emily L. Huskins, docentka z Boise State Megan Frary a postgraduální student Steven Livers a strojní inženýr a vedoucí týmu Army Research Laboratory Brian E. Schuster. Byly také provedeny balistické zkoušky v dílčím měřítku slitiny wolfram-chrom-železo.

„Pokud dokážete vyrobit buď nanostrukturovaný, nebo amorfní wolfram (slitinu), měl by to být skutečně ideální balistický materiál,“ říká Cordero. Cordero, rodák z Bridgewateru, NJ, získal v roce 2012 stipendium National Defence Science and Engineering (NDSEG) prostřednictvím Úřadu pro vědecký výzkum letectva. Jeho výzkum je financován americkou Agenturou pro snížení obranných hrozeb.

Ultrajemná struktura zrna

„Své materiály vyrábím způsobem práškového zpracování, kdy nejprve vyrobíme nanokrystalický prášek a poté jej konsolidujeme do hromadného objektu. Problémem však je, že konsolidace vyžaduje vystavení materiálu vyšším teplotám,“ říká Cordero. Zahřívání slitin na vysoké teploty může způsobit zvětšení zrn nebo jednotlivých krystalických domén v kovu, což je oslabí. Cordero dokázalo v kompaktu W-7Cr-9Fe dosáhnout ultrajemné struktury zrna o velikosti asi 130 nanometrů, potvrzené elektronovými mikrofotografiemi. „Pomocí této cesty zpracování prášku můžeme vyrobit velké vzorky o průměru až 2 centimetry, nebo můžeme jít větší, s dynamickou pevností v tlaku 4 GPa (gigapascaly). Skutečnost, že tyto materiály můžeme vyrobit pomocí škálovatelného procesu, je možná ještě působivější,“ říká Cordero.

„Jako skupina se snažíme dělat hromadné věci s jemnými nanostrukturami. Důvod, proč to chceme, je ten, že tyto materiály mají velmi zajímavé vlastnosti, které mohou být potenciálně využity v mnoha aplikacích,“ dodává Cordero.

V přírodě se nenachází

Cordero také zkoumal pevnost prášků kovových slitin s mikrostrukturami v nanoměřítku v časopise Acta Materialia. Cordero se starším autorem Schuhem použil jak výpočtové simulace, tak laboratorní experimenty, aby ukázal, že slitiny kovů, jako je wolfram a chrom s podobnými počátečními pevnostmi, mají tendenci se homogenizovat a vytvářet pevnější konečný produkt, zatímco kombinace kovů s velkou počáteční pevností se neshodují, např. wolfram a zirkonium měly tendenci produkovat slabší slitinu s více než jednou přítomnou fází.

„Proces vysokoenergetického kulového frézování je jedním z příkladů větší rodiny procesů, ve kterých sakra deformujete materiál, abyste uvedli jeho mikrostrukturu do podivného nerovnovážného stavu. Ve skutečnosti neexistuje dobrý rámec pro předpovídání mikrostruktury, která se objeví, takže je to často pokus a omyl. Snažili jsme se odstranit empirismus z navrhování slitin, které budou tvořit metastabilní pevný roztok, což je jeden příklad nerovnovážné fáze,“ vysvětluje Cordero.

„Vytváříte tyto nerovnovážné fáze, věci, které byste normálně neviděli ve světě kolem sebe, v přírodě, pomocí těchto opravdu extrémních deformačních procesů,“ říká. Proces vysokoenergetického kulového mletí zahrnuje opakované stříhání kovových prášků, přičemž střih přivádí legující prvky k promísení při konkurenčním, tepelně aktivované regenerační procesy umožňují slitině návrat do svého rovnovážného stavu, což je v mnoha případech fázová separace. . „Mezi těmito dvěma procesy tedy existuje konkurence,“ vysvětluje Cordero. Jeho práce navrhla jednoduchý model k předpovědi chemických látek v dané slitině, která vytvoří pevný roztok, a ověřil jej experimenty. „Vyfrézované prášky jsou jedny z nejtvrdších kovů, které lidé viděli,“ říká Cordero s tím, že testy ukázaly, že slitina wolframu a chrómu má nanoindentační tvrdost 21 GPa. To z nich činí přibližně dvojnásobnou tvrdost nanoindentační tvrdosti než nanokrystalické slitiny na bázi železa nebo hrubozrnný wolfram.

Metalurgie vyžaduje flexibilitu

V ultrajemnozrnných výliscích ze slitiny wolfram-chrom-železo, které studoval, slitiny zachycovaly železo z abraze ocelového mlecího média a lahvičky během vysokoenergetického kulového mletí. "Ale ukazuje se, že to může být také dobrá věc, protože to vypadá, že urychluje zahušťování při nízkých teplotách, což snižuje množství času, který musíte strávit při těchto vysokých teplotách, což by mohlo vést ke špatným změnám v mikrostruktuře." Cordero vysvětluje. "Velká věc je být flexibilní a rozpoznat příležitosti v metalurgii."

Zhutněná peleta z kovové slitiny sedí vedle rozemletých kovových prášků wolfram-chrom železa v lodi používané pro vážení kovů. Ocelové kuličky se používají k deformaci kovů ve vysokoenergetickém kulovém mlýnu. Kredit: Denis Paiste/Materials Processing Center
Cordero vystudoval MIT v roce 2010 s bakalářským titulem z fyziky a rok pracoval v Lawrence Berkeley National Lab. Tam se nechal inspirovat technickým personálem, který se naučil od dřívější generace metalurgů, kteří během druhé světové války vyráběli speciální kelímky pro zadržování plutonia pro projekt Manhattan. „Slyšení druhu věcí, na kterých pracují, mě velmi vzrušilo a zajímalo mě o zpracování kovů. Je to také spousta zábavy,“ říká Cordero. V jiných dílčích disciplínách materiálové vědy říká: „Nemůžete otevřít pec při 1000 C a vidět něco žhavého do ruda. Nemůžete tepelně upravovat věci." Očekává, že doktorát dokončí v roce 2015.

Ačkoli se jeho současná práce zaměřuje na konstrukční aplikace, způsob zpracování prášku, který dělá, se používá také k výrobě magnetických materiálů. „Spoustu informací a znalostí lze použít na jiné věci,“ říká. "I když se jedná o tradiční strukturální metalurgii, můžete tuto starou metalurgii aplikovat na materiály nové školy."