Nye wolframlegeringer, der udvikles i Schuh-gruppen ved MIT, kan potentielt erstatte forarmet uran i panserbrydende projektiler. Fjerde-års materialevidenskab og ingeniørstuderende Zachary C. Cordero arbejder på lav-toksicitet, højstyrke, højdensitetsmateriale til at erstatte forarmet uran i strukturelle militære applikationer. Forarmet uran udgør en potentiel sundhedsfare for soldater og civile. "Det er motivationen for at prøve at erstatte det," siger Cordero.

Normal wolfram ville svampe eller sløve ved stød, den værst mulige ydeevne. Så udfordringen er at udvikle en legering, der kan matche ydeevnen af ​​forarmet uran, som bliver selvskærpende, når det skærer materiale af og bevarer en skarp næse ved penetrator-mål-grænsefladen. "Tungsten i sig selv er usædvanligt stærkt og hårdt. Vi indsætter andre legeringselementer for at gøre det, så vi kan konsolidere det til dette bulkobjekt,” siger Cordero.

En wolframlegering med krom og jern (W-7Cr-9Fe) var betydeligt stærkere end kommercielle wolframlegeringer, rapporterede Cordero i et papir med seniorforfatter og leder af Institut for Materialevidenskab og Engineering Christopher A. Schuh og kolleger i tidsskriftet Metallurgical and Materials Transaktioner A. Forbedringen blev opnået ved at komprimere metalpulver i en feltassisteret sintringsvarmepresse, med det bedste resultat målt ved den fine kornstruktur og højeste hårdhed, opnået ved en behandlingstid på 1 minut ved 1.200 grader Celsius. Længere behandlingstider og højere temperaturer førte til grovere korn og svagere mekanisk ydeevne. Medforfattere omfattede MIT-ingeniør- og materialevidenskabsstuderende Mansoo Park, Oak Ridge postdoc-stipendiat Emily L. Huskins, Boise State Associate Professor Megan Frary og kandidatstuderende Steven Livers, og Army Research Laboratorys mekaniske ingeniør og teamleder Brian E. Schuster. Underskala ballistiske test af wolfram-chrom-jern-legeringen er også blevet udført.

"Hvis du kan lave enten nanostruktureret eller amorf bulk wolfram (legering), burde det virkelig være et ideelt ballistisk materiale," siger Cordero. Cordero, der er hjemmehørende i Bridgewater, NJ, modtog et National Defense Science and Engineering (NDSEG) Fellowship i 2012 gennem Air Force Office of Scientific Research. Hans forskning er finansieret af US Defense Threat Reduction Agency.

Ultrafin kornstruktur

"Måden jeg laver mine materialer på er med pulverbehandling, hvor vi først laver nanokrystallinsk pulver og derefter konsoliderer det til et bulkobjekt. Men udfordringen er, at konsolidering kræver, at materialet udsættes for højere temperaturer,” siger Cordero. Opvarmning af legeringerne til høje temperaturer kan få kornene eller individuelle krystallinske domæner i metallet til at forstørre, hvilket svækker dem. Cordero var i stand til at opnå en ultrafin kornstruktur på omkring 130 nanometer i W-7Cr-9Fe kompakt, bekræftet af elektronmikrografer. "Ved at bruge denne pulverbehandlingsrute kan vi lave store prøver på op til 2 centimeter i diameter, eller vi kunne blive større med dynamiske trykstyrker på 4 GPa (gigapascal). Det faktum, at vi kan fremstille disse materialer ved hjælp af en skalerbar proces, er måske endnu mere imponerende,” siger Cordero.

"Det, vi prøver at gøre som en gruppe, er at lave bulk ting med fine nanostrukturer. Grunden til, at vi ønsker det, er, at disse materialer har meget interessante egenskaber, som er af potentiel brug i mange applikationer,” tilføjer Cordero.

Findes ikke i naturen

Cordero undersøgte også styrken af ​​metallegeringspulvere med mikrostrukturer i nanoskala i et Acta Materialia-journalpapir. Cordero brugte sammen med seniorforfatteren Schuh både beregningssimuleringer og laboratorieeksperimenter til at vise, at legeringer af metaller såsom wolfram og krom med lignende begyndelsesstyrker havde en tendens til at homogenisere og producere et stærkere slutprodukt, hvorimod kombinationer af metaller med en stor initial styrkemismatch som f.eks. som wolfram og zirconium havde tendens til at producere en svagere legering med mere end én fase til stede.

"Processen med højenergi kuglefræsning er et eksempel på en større familie af processer, hvor man deformerer materialet for at drive dets mikrostruktur ind i en mærkelig ikke-ligevægtstilstand. Der er ikke nogen god ramme for at forudsige den mikrostruktur, der kommer ud, så mange gange er dette forsøg og fejl. Vi forsøgte at fjerne empirien fra at designe legeringer, der vil danne en metastabil fast løsning, hvilket er et eksempel på en ikke-ligevægtsfase,” forklarer Cordero.

"Du producerer disse ikke-ligevægtsfaser, ting du normalt ikke ville se i verden omkring dig, i naturen, ved at bruge disse virkelig ekstreme deformationsprocesser," siger han. Processen med højenergikugleformaling involverer gentagne forskydninger af metalpulverne, hvor forskydningen driver legeringselementerne til at blande sig, mens konkurrerende, termisk aktiverede genvindingsprocesser tillader legeringen at vende tilbage til sin ligevægtstilstand, som i mange tilfælde er faseadskillelse . "Så der er denne konkurrence mellem disse to processer," forklarer Cordero. Hans papir foreslog en simpel model til at forudsige kemi i en given legering, der vil danne en solid løsning og validerede den med eksperimenter. "De malede pulvere er nogle af de hårdeste metaller, som folk har set," siger Cordero og bemærker, at test viste, at wolfram-chrom-legeringen har en nanoindentations-hårdhed på 21 GPa. Det gør dem omtrent dobbelt så hårde som nano-indentations-hårdhed af nanokrystallinske jernbaserede legeringer eller grovkornet wolfram.

Metallurgi kræver fleksibilitet

I de ultrafinkornede wolfram-chrom-jern-legeringer, han studerede, opsamlede legeringerne jernet fra afslidning af stålslibemedierne og hætteglasset under højenergikuglefræsning. "Men det viser sig, at det også kan være en god ting, fordi det ser ud til, at det accelererer fortætning ved lave temperaturer, hvilket reducerer den tid, du skal bruge ved de høje temperaturer, der kan føre til dårlige ændringer i mikrostrukturen," Cordero forklarer. "Det store er at være fleksibel og genkende muligheder inden for metallurgi."

En komprimeret pellet af metallegering sidder ved siden af ​​formalet wolfram-krom-jernmetalpulver i en båd, der bruges til at veje metallerne. Stålkuglerne bruges til at deformere metallerne i en højenergikuglemølle. Kredit: Denis Paiste/Material Processing Center
Cordero dimitterede fra MIT i 2010 med en bachelor i fysik og arbejdede i et år på Lawrence Berkeley National Lab. Der blev han inspireret af ingeniørpersonalet, der lærte af en tidligere generation af metallurger, der lavede specielle digler til at holde plutonium til Manhattan-projektet under Anden Verdenskrig. "At høre den slags ting, som de arbejdede på, fik mig meget begejstret og ivrig efter metalforarbejdning. Det er også bare meget sjovt,” siger Cordero. I andre materialevidenskabelige underdiscipliner siger han: "Du kommer ikke til at åbne en ovn ved 1.000 C og se noget gløde rødglødende. Du kommer ikke til at varmebehandle ting.” Han forventer at afslutte sin ph.d. i 2015.

Selvom hans nuværende arbejde er fokuseret på strukturelle applikationer, bruges den slags pulverbehandling, han laver, også til at fremstille magnetiske materialer. "Meget af informationen og viden kan bruges til andre ting," siger han. "Selvom dette er traditionel strukturel metallurgi, kan du anvende denne old-school metallurgi på new-school materialer."