De nouveaux alliages de tungstène en cours de développement au sein du groupe Schuh du MIT pourraient potentiellement remplacer l'uranium appauvri dans les projectiles perforants. Zachary C. Cordero, étudiant diplômé de quatrième année en science et ingénierie des matériaux, travaille sur des matériaux à faible toxicité, à haute résistance et à haute densité destinés à remplacer l'uranium appauvri dans les applications militaires structurelles. L'uranium appauvri présente un risque potentiel pour la santé des soldats et des civils. "C'est la raison pour laquelle nous essayons de le remplacer", explique Cordero.

Le tungstène normal se développerait ou s'émousserait à l'impact, la pire performance possible. Le défi consiste donc à développer un alliage capable d’égaler les performances de l’uranium appauvri, qui devient auto-affûtant à mesure qu’il cisaille le matériau et maintient un nez pointu à l’interface pénétrateur-cible. « Le tungstène en lui-même est exceptionnellement solide et dur. Nous avons ajouté d'autres éléments d'alliage pour pouvoir le consolider dans cet objet en vrac », explique Cordero.

Un alliage de tungstène avec du chrome et du fer (W-7Cr-9Fe) était significativement plus résistant que les alliages de tungstène commerciaux, a rapporté Cordero dans un article avec l'auteur principal et chef du Département de science et d'ingénierie des matériaux Christopher A. Schuh et ses collègues de la revue Metallurgical and Materials. Transactions A. L'amélioration a été obtenue en compactant des poudres métalliques dans une presse à chaud de frittage assistée sur site, le meilleur résultat, mesuré par la structure à grains fins et la dureté la plus élevée, étant obtenu avec un temps de traitement de 1 minute à 1 200 degrés Celsius. Des temps de traitement plus longs et des températures plus élevées ont conduit à des grains plus grossiers et à des performances mécaniques plus faibles. Les co-auteurs comprenaient Mansoo Park, étudiant diplômé en ingénierie et science des matériaux du MIT, Emily L. Huskins, boursière postdoctorale d'Oak Ridge, Megan Frary, professeure agrégée de Boise State et Steven Livers, étudiant diplômé, ainsi que l'ingénieur en mécanique et chef d'équipe du Laboratoire de recherche de l'Armée Brian E. Schuster. Des tests balistiques à petite échelle de l’alliage tungstène-chrome-fer ont également été réalisés.

"Si vous pouvez fabriquer du tungstène (alliage) en vrac nanostructuré ou amorphe, cela devrait vraiment être un matériau balistique idéal", explique Cordero. Cordero, originaire de Bridgewater, dans le New Jersey, a reçu une bourse de recherche en sciences et ingénierie de la défense nationale (NDSEG) en 2012 par l'intermédiaire du Bureau de recherche scientifique de l'Air Force. Ses recherches sont financées par la Defense Threat Reduction Agency des États-Unis.

Structure à grains ultrafins

« La façon dont je fabrique mes matériaux consiste à traiter la poudre : nous fabriquons d'abord de la poudre nanocristalline, puis nous la consolidons en un objet volumineux. Mais le défi est que la consolidation nécessite d’exposer le matériau à des températures plus élevées », explique Cordero. Chauffer les alliages à des températures élevées peut provoquer l’agrandissement des grains ou des domaines cristallins individuels à l’intérieur du métal, ce qui les affaiblit. Cordero a pu obtenir une structure de grains ultrafins d'environ 130 nanomètres dans le compact W-7Cr-9Fe, confirmée par des micrographies électroniques. « Grâce à cette méthode de traitement de la poudre, nous pouvons fabriquer de gros échantillons allant jusqu'à 2 centimètres de diamètre, ou nous pourrions aller plus gros, avec des résistances à la compression dynamique de 4 GPa (gigapascals). Le fait que nous puissions fabriquer ces matériaux à l’aide d’un processus évolutif est peut-être encore plus impressionnant », déclare Cordero.

« Ce que nous essayons de faire en tant que groupe, c'est de fabriquer des objets volumineux avec de fines nanostructures. La raison pour laquelle nous souhaitons cela est que ces matériaux possèdent des propriétés très intéressantes qui pourraient être utilisées dans de nombreuses applications », ajoute Cordero.

Introuvable dans la nature

Cordero a également examiné la résistance des poudres d'alliages métalliques dotées de microstructures à l'échelle nanométrique dans un article de la revue Acta Materialia. Cordero, avec l'auteur principal Schuh, a utilisé à la fois des simulations informatiques et des expériences en laboratoire pour montrer que les alliages de métaux tels que le tungstène et le chrome ayant des résistances initiales similaires avaient tendance à s'homogénéiser et à produire un produit final plus résistant, alors que les combinaisons de métaux avec une résistance initiale importante ne correspondent pas, comme car le tungstène et le zirconium avaient tendance à produire un alliage plus faible avec plus d'une phase présente.

« Le processus de broyage à billes à haute énergie est un exemple d’une plus grande famille de processus dans lesquels vous déformez énormément un matériau pour conduire sa microstructure dans un étrange état de non-équilibre. Il n’existe pas vraiment de bon cadre pour prédire la microstructure qui en résulte, donc il s’agit souvent d’essais et d’erreurs. Nous essayions de supprimer l'empirisme dans la conception d'alliages qui formeraient une solution solide métastable, qui est un exemple de phase hors équilibre », explique Cordero.

« Vous produisez ces phases hors équilibre, des choses que vous ne verriez normalement pas dans le monde qui vous entoure, dans la nature, en utilisant ces processus de déformation vraiment extrêmes », dit-il. Le processus de broyage à billes à haute énergie implique un cisaillement répété des poudres métalliques, le cisaillement entraînant le mélange des éléments d'alliage tandis que des processus concurrents de récupération activés thermiquement permettent à l'alliage de revenir à son état d'équilibre, qui dans de nombreux cas consiste à séparer les phases. . "Il y a donc cette concurrence entre ces deux processus", explique Cordero. Son article proposait un modèle simple pour prédire les compositions chimiques d'un alliage donné qui formeraient une solution solide et le validait par des expériences. "Les poudres telles que broyées font partie des métaux les plus durs que les gens aient vus", explique Cordero, notant que des tests ont montré que l'alliage tungstène-chrome a une dureté de nanoindentation de 21 GPa. Cela les rend environ deux fois plus durs par nanoindentation que les alliages nanocristallins à base de fer ou le tungstène à gros grains.

La métallurgie nécessite de la flexibilité

Dans les alliages tungstène-chrome-fer à grains ultrafins qu'il a étudiés, les alliages captaient le fer provenant de l'abrasion des supports de broyage et du flacon en acier lors du broyage à billes à haute énergie. "Mais il s'avère que cela peut aussi être une bonne chose, car il semble que cela accélère la densification à basse température, ce qui réduit le temps que vous devez passer à ces températures élevées qui pourraient entraîner de mauvais changements dans la microstructure." Cordero explique. « L’essentiel est d’être flexible et de reconnaître les opportunités dans la métallurgie. »

Cordero est diplômé du MIT en 2010 avec un baccalauréat en physique et a travaillé pendant un an au Lawrence Berkeley National Lab. Là, il s'est inspiré de l'équipe d'ingénieurs qui a appris d'une génération antérieure de métallurgistes qui fabriquaient des creusets spéciaux pour contenir du plutonium pour le projet Manhattan pendant la Seconde Guerre mondiale. «Entendre le genre de choses sur lesquelles ils travaillaient m'a rendu très enthousiasmé et passionné par le traitement des métaux. C'est aussi très amusant », dit Cordero. Dans d'autres sous-disciplines de la science des matériaux, dit-il : « On ne peut pas ouvrir un four à 1 000 °C et voir quelque chose rougeoyer. Vous ne pouvez pas traiter thermiquement les choses. Il espère terminer son doctorat en 2015.

Bien que son travail actuel soit axé sur les applications structurelles, le type de traitement des poudres qu'il effectue est également utilisé pour fabriquer des matériaux magnétiques. « Une grande partie des informations et des connaissances peuvent être appliquées à d’autres choses », dit-il. "Même s'il s'agit d'une métallurgie structurelle traditionnelle, vous pouvez appliquer cette métallurgie de la vieille école aux matériaux de la nouvelle école."