Neue Wolframlegierungen, die in der Schuh Group am MIT entwickelt werden, könnten möglicherweise abgereichertes Uran in panzerbrechenden Projektilen ersetzen. Zachary C. Cordero, Student der Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften im vierten Jahr, arbeitet an Materialien mit geringer Toxizität, hoher Festigkeit und hoher Dichte als Ersatz für abgereichertes Uran in strukturellen militärischen Anwendungen. Abgereichertes Uran stellt eine potenzielle Gesundheitsgefahr für Soldaten und Zivilisten dar. „Das ist die Motivation für den Versuch, es zu ersetzen“, sagt Cordero.

Normales Wolfram würde beim Aufprall verpilzen oder stumpf werden, was die schlechteste Leistung darstellt. Die Herausforderung besteht also darin, eine Legierung zu entwickeln, die mit der Leistung von abgereichertem Uran mithalten kann, sich beim Abscheren von Material selbst schärft und an der Grenzfläche zwischen Penetrator und Ziel eine scharfe Spitze behält. „Wolfram an sich ist außergewöhnlich stark und hart. Wir fügen andere Legierungselemente hinzu, um es zu diesem Massenobjekt zu verfestigen“, sagt Cordero.

Eine Wolframlegierung mit Chrom und Eisen (W-7Cr-9Fe) sei deutlich stärker als kommerzielle Wolframlegierungen, berichtete Cordero in einem Artikel mit dem leitenden Autor und Leiter der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik Christopher A. Schuh und Kollegen in der Zeitschrift Metallurgical and Materials Transaktionen A. Die Verbesserung wurde durch das Verdichten von Metallpulvern in einer feldunterstützten Sinter-Heißpresse erreicht, wobei das beste Ergebnis, gemessen an der feinen Kornstruktur und der höchsten Härte, bei einer Verarbeitungszeit von 1 Minute erreicht wurde 1.200 Grad Celsius. Längere Verarbeitungszeiten und höhere Temperaturen führten zu gröberen Körnern und einer schwächeren mechanischen Leistung. Zu den Co-Autoren gehörten der MIT-Doktorand für Ingenieurwesen und Materialwissenschaften Mansoo Park, die Postdoktorandin Emily L. Huskins aus Oak Ridge, die Boise State Associate Professorin Megan Frary und der Doktorand Steven Livers sowie der Maschinenbauingenieur und Teamleiter des Army Research Laboratory Brian E. Schuster. Es wurden auch kleinere ballistische Tests der Wolfram-Chrom-Eisen-Legierung durchgeführt.

„Wenn man entweder nanostrukturiertes oder amorphes Massenwolfram (eine Legierung) herstellen kann, sollte es wirklich ein ideales ballistisches Material sein“, sagt Cordero. Cordero, gebürtig aus Bridgewater, New Jersey, erhielt 2012 vom Air Force Office of Scientific Research ein Stipendium der National Defense Science and Engineering (NDSEG). Seine Forschung wird von der US Defense Threat Reduction Agency finanziert.

Ultrafeine Kornstruktur

„Die Art und Weise, wie ich meine Materialien herstelle, ist die Pulververarbeitung, bei der wir zunächst nanokristallines Pulver herstellen und es dann zu einem Massenobjekt verdichten. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass das Material für die Konsolidierung höheren Temperaturen ausgesetzt werden muss“, sagt Cordero. Das Erhitzen der Legierungen auf hohe Temperaturen kann dazu führen, dass sich die Körner oder einzelnen kristallinen Domänen im Metall vergrößern und dadurch geschwächt werden. Cordero konnte im W-7Cr-9Fe-Kompakt eine ultrafeine Kornstruktur von etwa 130 Nanometern erreichen, was durch elektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigt wurde. „Mit dieser Pulververarbeitungsroute können wir große Proben mit einem Durchmesser von bis zu 2 Zentimetern herstellen, oder wir könnten noch größer werden, mit dynamischen Druckfestigkeiten von 4 GPa (Gigapascal). Die Tatsache, dass wir diese Materialien mithilfe eines skalierbaren Prozesses herstellen können, ist vielleicht noch beeindruckender“, sagt Cordero.

„Was wir als Gruppe versuchen, ist, große Dinge mit feinen Nanostrukturen herzustellen. Der Grund dafür ist, dass diese Materialien sehr interessante Eigenschaften haben, die für viele Anwendungen von Nutzen sein können“, fügt Cordero hinzu.

In der Natur nicht zu finden

Cordero untersuchte in einem Artikel in der Fachzeitschrift Acta Materialia auch die Festigkeit von Metalllegierungspulvern mit nanoskaligen Mikrostrukturen. Cordero nutzte zusammen mit dem leitenden Autor Schuh sowohl Computersimulationen als auch Laborexperimente, um zu zeigen, dass Legierungen aus Metallen wie Wolfram und Chrom mit ähnlichen Anfangsfestigkeiten dazu neigen, sich zu homogenisieren und ein stärkeres Endprodukt zu produzieren, wohingegen Kombinationen von Metallen mit einer großen Ungleichheit der Anfangsfestigkeiten, wie z da Wolfram und Zirkonium tendenziell eine schwächere Legierung mit mehr als einer Phase ergaben.

„Der Prozess des Hochenergie-Kugelmahlens ist ein Beispiel für eine größere Familie von Prozessen, bei denen man Material völlig verformt, um seine Mikrostruktur in einen seltsamen Ungleichgewichtszustand zu bringen. Es gibt keinen wirklich guten Rahmen für die Vorhersage der resultierenden Mikrostruktur, daher ist dies oft ein Versuch und Irrtum. Wir haben versucht, den Empirismus bei der Entwicklung von Legierungen zu beseitigen, die eine metastabile feste Lösung bilden, was ein Beispiel für eine Nichtgleichgewichtsphase ist“, erklärt Cordero.

„Diese Ungleichgewichtsphasen, Dinge, die man normalerweise in der Welt um einen herum, in der Natur, nicht sieht, erzeugt man durch diese wirklich extremen Verformungsprozesse“, sagt er. Beim Prozess des Hochenergie-Kugelmahlens werden die Metallpulver wiederholt geschert, wobei die Scherung die Vermischung der Legierungselemente antreibt, während konkurrierende, thermisch aktivierte Wiederherstellungsprozesse es der Legierung ermöglichen, in ihren Gleichgewichtszustand zurückzukehren, was in vielen Fällen zu einer Phasentrennung führt . „Es gibt also diesen Wettbewerb zwischen diesen beiden Prozessen“, erklärt Cordero. In seiner Arbeit schlug er ein einfaches Modell zur Vorhersage der chemischen Zusammensetzung einer bestimmten Legierung vor, die eine feste Lösung bilden wird, und validierte es durch Experimente. „Die gemahlenen Pulver gehören zu den härtesten Metallen, die Menschen je gesehen haben“, sagt Cordero und weist darauf hin, dass Tests gezeigt haben, dass die Wolfram-Chrom-Legierung eine Nanoindentationshärte von 21 GPa aufweist. Damit sind sie etwa doppelt so hart wie nanokristalline Eisenbasislegierungen oder grobkörniges Wolfram.

Metallurgie erfordert Flexibilität

In den von ihm untersuchten ultrafeinkörnigen Wolfram-Chrom-Eisen-Legierungspresslingen nahmen die Legierungen das Eisen durch den Abrieb der Stahlmahlkörper und des Fläschchens während des Hochenergie-Kugelmahlens auf. „Aber es stellt sich heraus, dass das auch eine gute Sache sein kann, denn es sieht so aus, als würde es die Verdichtung bei niedrigen Temperaturen beschleunigen, was die Zeit verkürzt, die man bei diesen hohen Temperaturen verbringen muss, die zu schlechten Veränderungen in der Mikrostruktur führen könnten.“ Cordero erklärt. „Das Wichtigste ist, flexibel zu sein und Chancen in der Metallurgie zu erkennen.“

Cordero schloss 2010 sein Studium am MIT mit einem Bachelor in Physik ab und arbeitete ein Jahr lang am Lawrence Berkeley National Lab. Dort ließ er sich von den Ingenieuren inspirieren, die von einer früheren Generation von Metallurgen lernten, die während des Zweiten Weltkriegs spezielle Tiegel zur Aufbewahrung von Plutonium für das Manhattan-Projekt herstellten. „Als ich hörte, an was für Dingen sie arbeiteten, war ich sehr aufgeregt und begeisterte mich für die Metallverarbeitung. Es macht auch einfach viel Spaß“, sagt Cordero. In anderen Teildisziplinen der Materialwissenschaften sagt er: „Man öffnet keinen Ofen bei 1.000 °C und sieht etwas glühend glühend.“ Man darf Sachen nicht wärmebehandeln.“ Er rechnet damit, seine Doktorarbeit im Jahr 2015 abzuschließen.

Obwohl sich seine aktuelle Arbeit auf strukturelle Anwendungen konzentriert, wird die Art der Pulververarbeitung, die er durchführt, auch zur Herstellung magnetischer Materialien eingesetzt. „Viele der Informationen und Kenntnisse lassen sich auf andere Dinge anwenden“, sagt er. „Auch wenn es sich hierbei um traditionelle Strukturmetallurgie handelt, kann man diese Metallurgie der alten Schule auf Materialien der neuen Schule anwenden.“