As novas aliaxes de wolframio que se desenvolven no Grupo Schuh do MIT poderían substituír o uranio empobrecido nos proxectís perforantes. O estudante de posgrao en ciencia e enxeñaría de materiais de cuarto ano Zachary C. Cordero está a traballar en material de baixa toxicidade, alta resistencia e alta densidade para substituír o uranio empobrecido en aplicacións militares estruturais. O uranio empobrecido supón un perigo potencial para a saúde de soldados e civís. "Esa é a motivación para tentar substituílo", di Cordero.

O volframio normal se engrosaría ou embotaría no impacto, o peor rendemento posible. Polo tanto, o reto é desenvolver unha aliaxe que poida igualar o rendemento do uranio empobrecido, que se fai auto-afiando a medida que corta o material e mantén un nariz afiado na interface penetrador-obxectivo. "O volframio por si só é excepcionalmente forte e duro. Puxemos outros elementos de aliaxe para fabricalo para poder consolidalo neste obxecto a granel”, di Cordero.

Unha aliaxe de wolframio con cromo e ferro (W-7Cr-9Fe) era significativamente máis forte que as aliaxes comerciais de wolframio, segundo informou Cordero nun artigo co autor principal e xefe do Departamento de Ciencia e Enxeñaría de Materiais, Christopher A. Schuh, e os seus colegas na revista Metallurgical and Materials. Transaccións A. A mellora conseguiuse compactando pos metálicos nunha prensa en quente de sinterización asistida en campo, co mellor resultado, medido pola estrutura de gran fino e maior dureza, conseguida nun tempo de procesamento de 1 minuto a 1.200 graos centígrados. Os tempos de procesamento máis longos e as temperaturas máis altas provocaron grans máis grosos e un rendemento mecánico máis débil. Os coautores incluíron o estudante de posgrao en enxeñaría e ciencias de materiais do MIT Mansoo Park, a compañeira posdoutoral de Oak Ridge Emily L. Huskins, a profesora asociada de Boise State Megan Frary e o estudante de posgrao Steven Livers e o enxeñeiro mecánico e xefe de equipo do Army Research Laboratory Brian E. Schuster. Tamén se realizaron ensaios balísticos a subescala da aliaxe de wolframio-cromo-ferro.

"Se pode fabricar volframio a granel nanoestruturado ou amorfo (aliaxe), realmente debería ser un material balístico ideal", di Cordero. Cordero, natural de Bridgewater, NJ, recibiu unha bolsa de Ciencia e Enxeñaría da Defensa Nacional (NDSEG) en 2012 a través da Oficina de Investigación Científica da Forza Aérea. A súa investigación está financiada pola Defense Threat Reduction Agency dos Estados Unidos.

Estrutura de gran ultrafino

"A forma na que fago os meus materiais é co procesamento de po onde primeiro elaboramos po nanocristalino e despois consolidámolo nun obxecto a granel. Pero o reto é que a consolidación require expoñer o material a temperaturas máis altas”, di Cordero. Quentar as aliaxes a altas temperaturas pode facer que os grans, ou dominios cristalinos individuais, dentro do metal se agranden, o que os debilita. Cordero foi capaz de conseguir unha estrutura de gran ultrafino duns 130 nanómetros no compacto W-7Cr-9Fe, confirmado por micrografías electrónicas. “Con esta vía de procesado de po, podemos facer grandes mostras de ata 2 centímetros de diámetro, ou poderiamos ir máis grandes, con resistencias dinámicas a compresión de 4 GPa (gigapascais). O feito de que poidamos fabricar estes materiais mediante un proceso escalable é quizais aínda máis impresionante", di Cordero.

"O que estamos tentando facer como grupo é facer cousas a granel con nanoestruturas finas. A razón pola que queremos iso é porque estes materiais teñen propiedades moi interesantes que son de uso potencial en moitas aplicacións", engade Cordero.

Non se atopa na natureza

Cordero tamén examinou a resistencia dos po de aliaxe metálica con microestruturas a nanoescala nun artigo da revista Acta Materialia. Cordero, co autor principal Schuh, utilizou tanto simulacións computacionais como experimentos de laboratorio para demostrar que as aliaxes de metais como o volframio e o cromo con resistencias iniciais similares tendían a homoxeneizarse e producir un produto final máis forte, mentres que as combinacións de metais cunha gran desigualdade de resistencia inicial, como xa que o volframio e o circonio tendían a producir unha aliaxe máis débil con máis dunha fase presente.

"O proceso de molienda de bolas de alta enerxía é un exemplo dunha familia máis grande de procesos nos que se deforma o material para levar a súa microestrutura a un estraño estado de non equilibrio. Non hai un bo marco realmente para predecir a microestrutura que sae, polo que moitas veces isto é ensaio e erro. Tentabamos eliminar o empirismo do deseño de aliaxes que formarán unha solución sólida metaestable, que é un exemplo dunha fase de non equilibrio", explica Cordero.

"Produces estas fases sen equilibrio, cousas que normalmente non verías no mundo que te rodea, na natureza, usando estes procesos de deformación realmente extremos", di. O proceso de molienda de bolas de alta enerxía implica o cizallamento repetido dos po metálicos co cizallamento que impulsa a mesturar os elementos da aliaxe mentres compiten, os procesos de recuperación activados térmicamente permiten que a aliaxe volva ao seu estado de equilibrio, que en moitos casos é a separación de fases. . "Entón hai esta competencia entre estes dous procesos", explica Cordero. O seu artigo propoñía un modelo sinxelo para predicir químicas nunha determinada aliaxe que formará unha solución sólida e validouna con experimentos. "Os pos moídos son algúns dos metais máis duros que a xente viu", di Cordero, e sinala que as probas mostraron que a aliaxe de cromo e volframio ten unha dureza de nanoindentación de 21 GPa. Isto fai que sexan case o dobre da dureza de nanoindentación das aliaxes a base de ferro nanocristalino ou do volframio de gran groso.

A metalurxia require flexibilidade

Nos compactos de aliaxes de tungsteno-cromo-ferro de gran ultrafino que estudou, as aliaxes recollían o ferro da abrasión dos medios de moenda de aceiro e do frasco durante a moenda de bolas de alta enerxía. "Pero resulta que iso tamén pode ser algo bo, porque parece que acelera a densificación a baixas temperaturas, o que reduce a cantidade de tempo que tes que pasar a esas altas temperaturas que poden provocar malos cambios na microestrutura". Cordero explica. "O importante é ser flexible e recoñecer as oportunidades na metalurxia".

Cordero formouse no MIT en 2010 cunha licenciatura en física e traballou durante un ano no Lawrence Berkeley National Lab. Alí, inspirouse no persoal de enxeñería que aprendeu dunha xeración anterior de metalúrxicos que fabricaban crisols especiais para conter plutonio para o Proxecto Manhattan durante a Segunda Guerra Mundial. "Escoitar o tipo de cousas nas que estaban traballando emocionoume moito e entusiasmaba o procesamento de metais. Tamén é moi divertido”, di Cordero. Noutras subdisciplinas de ciencia de materiais, di: "Non se pode abrir un forno a 1.000 C, e ves algo que brilla ao vermello. Non podes tratar con calor cousas". Espera rematar o seu doutoramento en 2015.

Aínda que o seu traballo actual céntrase en aplicacións estruturais, o tipo de procesamento de po que está a facer tamén se usa para fabricar materiais magnéticos. "Moita da información e do coñecemento pódense aplicar a outras cousas", di. "Aínda que esta é a metalurxia estrutural tradicional, podes aplicar esta metalurxia da vella escola a materiais da nova escola".