Nove legure volframa koje se razvijaju u Schuh grupi na MIT-u potencijalno bi mogle zamijeniti osiromašeni uran u projektilima za probijanje oklopa. Student četvrte godine znanosti o materijalima i inženjerstva Zachary C. Cordero radi na materijalu niske toksičnosti, visoke čvrstoće i velike gustoće za zamjenu osiromašenog urana u strukturnim vojnim primjenama. Osiromašeni uran predstavlja potencijalnu opasnost po zdravlje vojnika i civila. "To je motivacija za pokušaj zamjene", kaže Cordero.

Normalni volfram bi se izbuljio ili otupio pri udaru, što je najgora moguća izvedba. Dakle, izazov je razviti leguru koja može odgovarati performansama osiromašenog urana, koji postaje samooštreći kako odsiječe materijal i održava oštar vrh na sučelju penetrator-meta. “Volfram je sam po sebi iznimno jak i tvrd. Stavili smo druge elemente legure kako bismo ga napravili tako da ga možemo konsolidirati u ovaj rasuti objekt,” kaže Cordero.

Legura volframa s kromom i željezom (W-7Cr-9Fe) bila je znatno jača od komercijalnih legura volframa, izvijestio je Cordero u radu s višim autorom i voditeljem Odjela za znanost o materijalima i inženjerstvo Christopherom A. Schuhom i kolegama u časopisu Metallurgical and Materials Transakcije A. Poboljšanje je postignuto sabijanjem metalnog praha u vrućoj preši za sinteriranje uz pomoć terena, s najboljim rezultatom, mjeren strukturom finog zrna i najvećom tvrdoćom, postignutim u vremenu obrade od 1 minute na 1200 stupnjeva Celzijusa. Dulje vrijeme obrade i više temperature doveli su do grubljih zrna i slabijeg mehaničkog učinka. Koautori su uključivali MIT-ovog studenta inženjerstva i znanosti o materijalima Mansoo Parka, postdoktorandicu iz Oak Ridgea Emily L. Huskins, izvanrednu profesoricu iz države Boise Megan Frary i diplomirani student Steven Livers te inženjer strojarstva i voditelj tima Army Research Laboratory Brian E. Schuster. Također su provedena balistička ispitivanja legure volfram-krom-željezo ispod skale.

"Ako možete napraviti ili nanostrukturirani ili amorfni skupni volfram (legura), to bi stvarno trebao biti idealan balistički materijal", kaže Cordero. Cordero, rodom iz Bridgewatera, NJ, dobio je stipendiju Nacionalne obrambene znanosti i inženjerstva (NDSEG) 2012. putem Ureda za znanstvena istraživanja zračnih snaga. Njegovo istraživanje financira Agencija za smanjenje obrambene prijetnje SAD-a.

Ultrafina zrnasta struktura

“Način na koji izrađujem svoje materijale je obrada u prahu gdje prvo napravimo nanokristalni prah, a zatim ga konsolidiramo u rasuti objekt. Ali izazov je u tome što konsolidacija zahtijeva izlaganje materijala višim temperaturama,” kaže Cordero. Zagrijavanje legura na visoke temperature može uzrokovati povećanje zrnaca ili pojedinačnih kristalnih domena unutar metala, što ih slabi. Cordero je uspio postići ultrafinu strukturu zrna od oko 130 nanometara u kompaktu W-7Cr-9Fe, što je potvrđeno elektronskim mikrografima. „Koristeći ovaj put obrade praha, možemo napraviti velike uzorke promjera do 2 centimetra, ili bismo mogli ići veće, s dinamičkom tlačnom čvrstoćom od 4 GPa (gigapaskala). Činjenica da možemo izraditi te materijale korištenjem skalabilnog procesa možda je još impresivnija,” kaže Cordero.

“Ono što pokušavamo učiniti kao grupa je napraviti velike stvari s finim nanostrukturama. Razlog zbog kojeg to želimo je taj što ovi materijali imaju vrlo zanimljiva svojstva koja se mogu koristiti u mnogim primjenama,” dodaje Cordero.

Ne nalazi se u prirodi

Cordero je također ispitao čvrstoću praha metalnih legura s mikrostrukturama nanomjerne veličine u članku časopisa Acta Materialia. Cordero, sa starijim autorom Schuhom, upotrijebio je i računalne simulacije i laboratorijske eksperimente kako bi pokazao da su legure metala poput volframa i kroma sa sličnim početnim čvrstoćama imale tendenciju homogenizirati se i proizvoditi jači krajnji proizvod, dok su kombinacije metala s velikom neusklađenošću početnih čvrstoća kao budući da su volfram i cirkonij težili stvaranju slabije legure s više od jedne prisutne faze.

“Proces visokoenergetskog kugličnog mljevenja jedan je primjer veće obitelji procesa u kojima deformirate materijal kako biste doveli njegovu mikrostrukturu u čudno neravnotežno stanje. Ne postoji dobar okvir za predviđanje mikrostrukture koja će se pojaviti, tako da je ovo često pokušaj i pogreška. Pokušavali smo ukloniti empirizam iz dizajniranja legura koje će tvoriti metastabilnu čvrstu otopinu, što je jedan primjer neravnotežne faze,” objašnjava Cordero.

"Proizvedete ove neravnotežne faze, stvari koje inače ne biste vidjeli u svijetu oko sebe, u prirodi, koristeći te stvarno ekstremne procese deformacije", kaže on. Proces visokoenergetskog kugličnog mljevenja uključuje ponovljeno smicanje metalnog praha pri čemu smicanje dovodi do međusobnog miješanja legirajućih elemenata dok se natječu, toplinski aktivirani procesi oporavka omogućuju leguri da se vrati u svoje ravnotežno stanje, što je u mnogim slučajevima razdvajanje faza . "Dakle, postoji to natjecanje između ova dva procesa", objašnjava Cordero. Njegov je rad predložio jednostavan model za predviđanje kemije u danoj leguri koja će tvoriti čvrstu otopinu i potvrdio ga je eksperimentima. "Tako mljeveni prahovi neki su od najtvrđih metala koje su ljudi vidjeli", kaže Cordero, napominjući da su testovi pokazali da legura volframa i kroma ima nanoindentnu tvrdoću od 21 GPa. To ih čini dvostruko većom tvrdoćom nanoindentiranja od nanokristalnih legura na bazi željeza ili krupnozrnatog volframa.

Metalurgija zahtijeva fleksibilnost

U kompaktima od legure volframa, kroma i željeza ultrafinog zrna koje je proučavao, legure su pokupile željezo od abrazije čeličnog medija za mljevenje i bočice tijekom visokoenergetskog kugličnog mljevenja. "No pokazalo se da to može biti i dobra stvar, jer izgleda kao da ubrzava zgušnjavanje na niskim temperaturama, što smanjuje količinu vremena koje morate provesti na tim visokim temperaturama koje bi mogle dovesti do loših promjena u mikrostrukturi," Cordero objašnjava. "Velika je stvar biti fleksibilan i prepoznati prilike u metalurgiji."

Cordero je 2010. diplomirao fiziku na MIT-u i godinu dana radio u Nacionalnom laboratoriju Lawrence Berkeley. Ondje ga je nadahnulo inženjersko osoblje koje je učilo od ranije generacije metalurga koji su tijekom Drugog svjetskog rata izrađivali posebne lončiće za držanje plutonija za projekt Manhattan. “Čuvši na kakvim stvarima rade jako sam se uzbudio i zainteresirao za obradu metala. Također je jako zabavno,” kaže Cordero. U drugim poddisciplinama znanosti o materijalima, on kaže: “Ne možete otvoriti peć na 1000 C i vidjeti nešto kako žari crveno. Ne možete termički obrađivati ​​stvari.” Očekuje da će doktorat završiti 2015. godine.

Iako je njegov trenutačni rad usmjeren na strukturalne primjene, vrsta obrade praha koju radi također se koristi za izradu magnetskih materijala. "Mnoge informacije i znanja mogu se primijeniti na druge stvari", kaže on. "Iako je ovo tradicionalna konstrukcijska metalurgija, ovu staru metalurgiju možete primijeniti na materijale nove škole."