Las nuevas aleaciones de tungsteno que se están desarrollando en el Grupo Schuh del MIT podrían potencialmente reemplazar el uranio empobrecido en proyectiles perforantes. Zachary C. Cordero, estudiante graduado de cuarto año en ciencia e ingeniería de materiales, está trabajando en materiales de baja toxicidad, alta resistencia y alta densidad para reemplazar el uranio empobrecido en aplicaciones militares estructurales. El uranio empobrecido representa un peligro potencial para la salud de soldados y civiles. "Esa es la motivación para intentar reemplazarlo", dice Cordero.

El tungsteno normal se multiplicaría o se debilitaría al impactar, el peor rendimiento posible. Así que el desafío es desarrollar una aleación que pueda igualar el rendimiento del uranio empobrecido, que se vuelve autoafilable a medida que corta el material y mantiene una punta afilada en la interfaz entre el penetrador y el objetivo. “El tungsteno por sí solo es excepcionalmente fuerte y duro. Agregamos otros elementos de aleación para que podamos consolidarlo en este objeto a granel”, dice Cordero.

Una aleación de tungsteno con cromo y hierro (W-7Cr-9Fe) era significativamente más fuerte que las aleaciones de tungsteno comerciales, informó Cordero en un artículo con el autor principal y jefe del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Christopher A. Schuh, y sus colegas en la revista Metallurgical and Materials. Transacciones A. La mejora se logró compactando polvos metálicos en una prensa caliente de sinterización asistida en el campo, con el mejor resultado, medido por la estructura de grano fino y la mayor dureza, logrado en un tiempo de procesamiento de 1 minuto a 1.200 grados centígrados. Los tiempos de procesamiento más prolongados y las temperaturas más altas provocaron granos más gruesos y un rendimiento mecánico más débil. Los coautores incluyeron al estudiante graduado de ingeniería y ciencias de materiales del MIT Mansoo Park, la becaria postdoctoral de Oak Ridge Emily L. Huskins, la profesora asociada de Boise State Megan Frary y el estudiante graduado Steven Livers, y el ingeniero mecánico y líder del equipo del Laboratorio de Investigación del Ejército Brian E. Schuster. También se han realizado pruebas balísticas a subescala de la aleación de tungsteno-cromo-hierro.

"Si se puede fabricar una (aleación) de tungsteno a granel nanoestructurada o amorfa, debería ser realmente un material balístico ideal", dice Cordero. Cordero, originario de Bridgewater, Nueva Jersey, recibió una beca de investigación en Ciencias e Ingeniería de Defensa Nacional (NDSEG) en 2012 a través de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea. Su investigación está financiada por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa de EE. UU.

Estructura de grano ultrafino

“La forma en que fabrico mis materiales es mediante procesamiento de polvo, donde primero fabricamos polvo nanocristalino y luego lo consolidamos en un objeto a granel. Pero el desafío es que la consolidación requiere exponer el material a temperaturas más altas”, dice Cordero. Calentar las aleaciones a altas temperaturas puede hacer que los granos, o dominios cristalinos individuales, dentro del metal se agranden, lo que los debilita. Cordero pudo lograr una estructura de grano ultrafina de aproximadamente 130 nanómetros en el compacto W-7Cr-9Fe, confirmada por micrografías electrónicas. “Utilizando esta ruta de procesamiento de polvo, podemos hacer muestras grandes de hasta 2 centímetros de diámetro, o podríamos hacerlo más grandes, con resistencias a la compresión dinámica de 4 GPa (gigapascales). El hecho de que podamos fabricar estos materiales mediante un proceso escalable es quizás incluso más impresionante”, afirma Cordero.

“Lo que estamos tratando de hacer como grupo es fabricar cosas a granel con nanoestructuras finas. La razón por la que queremos hacerlo es porque estos materiales tienen propiedades muy interesantes que son de uso potencial en muchas aplicaciones”, añade Cordero.

No se encuentra en la naturaleza

Cordero también examinó la resistencia de los polvos de aleaciones metálicas con microestructuras a nanoescala en un artículo de la revista Acta Materialia. Cordero, con el autor principal Schuh, utilizó simulaciones computacionales y experimentos de laboratorio para demostrar que las aleaciones de metales como el tungsteno y el cromo con resistencias iniciales similares tendían a homogeneizarse y producir un producto final más fuerte, mientras que las combinaciones de metales con una gran resistencia inicial no coincidían, como ya que el tungsteno y el circonio tendían a producir una aleación más débil con más de una fase presente.

“El proceso de molienda de bolas de alta energía es un ejemplo de una familia más amplia de procesos en los que se deforma muchísimo el material para llevar su microestructura a un extraño estado de no equilibrio. Realmente no existe un buen marco para predecir la microestructura que surge, por lo que muchas veces esto es prueba y error. Estábamos tratando de eliminar el empirismo al diseñar aleaciones que formarán una solución sólida metaestable, que es un ejemplo de fase de no equilibrio”, explica Cordero.

"Se producen estas fases de no equilibrio, cosas que normalmente no se verían en el mundo que nos rodea, en la naturaleza, utilizando estos procesos de deformación realmente extremos", dice. El proceso de molienda de bolas de alta energía implica el corte repetido de los polvos metálicos, lo que hace que los elementos de aleación se entremezclen, mientras que los procesos de recuperación competitivos activados térmicamente permiten que la aleación regrese a su estado de equilibrio, que en muchos casos consiste en separar las fases. . “Así que existe una competencia entre estos dos procesos”, explica Cordero. Su artículo propuso un modelo simple para predecir la química de una aleación determinada que formará una solución sólida y lo validó con experimentos. "Los polvos molidos son algunos de los metales más duros que la gente ha visto", dice Cordero, señalando que las pruebas mostraron que la aleación de tungsteno y cromo tiene una dureza de nanoindentación de 21 GPa. Eso hace que tengan aproximadamente el doble de dureza por nanoindentación que las aleaciones nanocristalinas a base de hierro o el tungsteno de grano grueso.

La metalurgia requiere flexibilidad

En los compactos de aleación de tungsteno, cromo y hierro de grano ultrafino que estudió, las aleaciones recogieron el hierro de la abrasión de los medios de molienda de acero y el vial durante el molino de bolas de alta energía. "Pero resulta que eso también puede ser algo bueno, porque parece que acelera la densificación a bajas temperaturas, lo que reduce la cantidad de tiempo que hay que pasar a esas altas temperaturas que podrían provocar cambios negativos en la microestructura". Cordero explica. "Lo importante es ser flexible y reconocer las oportunidades en la metalurgia".

Cordero se graduó en el MIT en 2010 con una licenciatura en física y trabajó durante un año en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Allí, se inspiró en el personal de ingeniería que aprendió de una generación anterior de metalúrgicos que fabricaban crisoles especiales para contener plutonio para el Proyecto Manhattan durante la Segunda Guerra Mundial. “Escuchar el tipo de cosas en las que estaban trabajando me emocionó mucho y me interesó mucho en el procesamiento de metales. También es muy divertido”, dice Cordero. En otras subdisciplinas de la ciencia de materiales, dice, “no se puede abrir un horno a 1.000 C y ver algo brillando al rojo vivo. No se pueden tratar cosas con calor”. Espera terminar su doctorado en 2015.

Aunque su trabajo actual se centra en aplicaciones estructurales, el tipo de procesamiento de polvo que está realizando también se utiliza para fabricar materiales magnéticos. "Gran parte de la información y el conocimiento se pueden aplicar a otras cosas", afirma. "Aunque se trata de metalurgia estructural tradicional, se puede aplicar esta metalurgia de la vieja escuela a materiales de la nueva escuela".