Paduan tungsten baru yang sedang dikembangkan di Grup Schuh di MIT berpotensi menggantikan uranium yang habis dalam proyektil penusuk lapis baja. Mahasiswa pascasarjana sains dan teknik material tahun keempat, Zachary C. Cordero, sedang mengerjakan material dengan toksisitas rendah, kekuatan tinggi, dan kepadatan tinggi untuk menggantikan uranium yang habis dalam aplikasi militer struktural. Uranium yang habis menimbulkan potensi bahaya kesehatan bagi tentara dan warga sipil. “Itulah motivasi untuk mencoba menggantinya,” kata Cordero.

Tungsten normal akan menjamur atau tumpul saat terkena benturan, kinerja yang paling buruk. Jadi tantangannya adalah mengembangkan paduan yang dapat menandingi kinerja uranium yang terdeplesi, yang menjadi semakin tajam saat ia melepaskan material dan mempertahankan ketajaman pada antarmuka penetrator-target. “Tungsten sendiri sangat kuat dan keras. Kami memasukkan elemen paduan lain untuk membuatnya sehingga kami dapat menggabungkannya ke dalam benda berukuran besar ini,” kata Cordero.

Paduan tungsten dengan kromium dan besi (W-7Cr-9Fe) secara signifikan lebih kuat dibandingkan paduan tungsten komersial, Cordero melaporkan dalam sebuah makalah dengan penulis senior dan kepala Departemen Ilmu dan Teknik Material Christopher A. Schuh dan rekannya di jurnal Metallurgical and Materials Transaksi A. Peningkatan dicapai dengan memadatkan serbuk logam dalam hot press sintering berbantuan lapangan, dengan hasil terbaik, diukur dari struktur butiran halus dan kekerasan tertinggi, dicapai pada waktu pemrosesan 1 menit pada suhu 1.200 derajat Celcius. Waktu pemrosesan yang lebih lama dan suhu yang lebih tinggi menyebabkan butiran menjadi lebih kasar dan kinerja mekanis menjadi lebih lemah. Rekan penulis termasuk mahasiswa pascasarjana teknik dan ilmu material MIT Mansoo Park, rekan pascadoktoral Oak Ridge Emily L. Huskins, Associate Professor Boise State Megan Frary dan mahasiswa pascasarjana Steven Livers, dan insinyur mesin dan pemimpin tim Laboratorium Penelitian Angkatan Darat Brian E. Schuster. Uji balistik sub-skala dari paduan besi-tungsten-kromium juga telah dilakukan.

“Jika Anda dapat membuat tungsten (paduan) massal berstrukturnano atau amorf, itu akan menjadi bahan balistik yang ideal,” kata Cordero. Cordero, penduduk asli Bridgewater, NJ, menerima Beasiswa Sains dan Teknik Pertahanan Nasional (NDSEG) pada tahun 2012 melalui Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara. Penelitiannya didanai oleh Badan Pengurangan Ancaman Pertahanan AS.

Struktur butiran sangat halus

“Cara saya membuat material adalah dengan pengolahan bubuk dimana pertama-tama kami membuat bubuk nanokristalin lalu kami menggabungkannya menjadi benda curah. Namun tantangannya adalah konsolidasi memerlukan pemaparan material pada suhu yang lebih tinggi,” kata Cordero. Memanaskan paduan pada suhu tinggi dapat menyebabkan butiran, atau domain kristal individu, di dalam logam membesar, sehingga melemahkannya. Cordero mampu mencapai struktur butiran ultrahalus sekitar 130 nanometer dalam kompak W-7Cr-9Fe, yang dikonfirmasi oleh mikrograf elektron. “Dengan menggunakan jalur pengolahan bubuk ini, kami dapat membuat sampel berukuran besar dengan diameter hingga 2 sentimeter, atau dapat dibuat lebih besar, dengan kuat tekan dinamis sebesar 4 GPa (gigapascal). Fakta bahwa kami dapat membuat material ini menggunakan proses yang dapat diskalakan mungkin lebih mengesankan lagi,” kata Cordero.

“Apa yang kami coba lakukan sebagai sebuah kelompok adalah membuat benda berukuran besar dengan struktur nano yang halus. Alasan kami menginginkannya adalah karena bahan-bahan ini mempunyai sifat yang sangat menarik dan berpotensi digunakan dalam banyak aplikasi,” tambah Cordero.

Tidak ditemukan di alam

Cordero juga meneliti kekuatan serbuk paduan logam dengan struktur mikro skala nano dalam makalah jurnal Acta Materialia. Cordero, bersama penulis senior Schuh, menggunakan simulasi komputasi dan eksperimen laboratorium untuk menunjukkan bahwa paduan logam seperti tungsten dan kromium dengan kekuatan awal yang serupa cenderung menghomogenisasi dan menghasilkan produk akhir yang lebih kuat, sedangkan kombinasi logam dengan kekuatan awal yang besar tidak sesuai. karena tungsten dan zirkonium cenderung menghasilkan paduan yang lebih lemah dengan lebih dari satu fasa.

“Proses penggilingan bola berenergi tinggi adalah salah satu contoh dari rangkaian proses yang lebih besar di mana Anda mengubah bentuk material untuk mendorong struktur mikronya ke keadaan non-ekuilibrium yang aneh. Sebenarnya tidak ada kerangka kerja yang baik untuk memprediksi struktur mikro yang dihasilkan, sehingga sering kali hal ini bersifat trial and error. Kami mencoba menghilangkan empirisme dalam merancang paduan yang akan membentuk larutan padat metastabil, yang merupakan salah satu contoh fase non-ekuilibrium,” jelas Cordero.

“Anda menghasilkan fase-fase non-ekuilibrium ini, hal-hal yang biasanya tidak Anda lihat di dunia sekitar Anda, di alam, menggunakan proses deformasi yang sangat ekstrem ini,” katanya. Proses penggilingan bola berenergi tinggi melibatkan pemotongan serbuk logam secara berulang-ulang, dan pemotongan tersebut mendorong unsur-unsur paduan untuk bercampur sementara proses pemulihan yang diaktifkan secara termal memungkinkan paduan tersebut kembali ke keadaan setimbangnya, yang dalam banyak kasus adalah pemisahan fasa. . “Jadi ada persaingan antara kedua proses ini,” jelas Cordero. Makalahnya mengusulkan model sederhana untuk memprediksi kimia dalam paduan tertentu yang akan membentuk larutan padat dan memvalidasinya dengan eksperimen. “Serbuk yang digiling adalah salah satu logam paling keras yang pernah dilihat orang,” kata Cordero, sambil mencatat bahwa pengujian menunjukkan paduan tungsten-kromium memiliki kekerasan lekukan nano sebesar 21 GPa. Hal ini membuatnya memiliki kekerasan nanoindentasi dua kali lipat dibandingkan paduan berbasis besi nanokristalin atau tungsten berbutir kasar.

Metalurgi membutuhkan fleksibilitas

Dalam paduan paduan tungsten-kromium-besi berbutir ultrahalus yang ia pelajari, paduan tersebut mengambil besi dari abrasi media penggilingan baja dan vial selama penggilingan bola berenergi tinggi. “Tetapi ternyata hal ini juga merupakan hal yang baik, karena sepertinya mempercepat pemadatan pada suhu rendah, sehingga mengurangi jumlah waktu yang harus Anda habiskan pada suhu tinggi yang dapat menyebabkan perubahan buruk pada struktur mikro,” Cordero menjelaskan. “Hal terpentingnya adalah bersikap fleksibel dan mengenali peluang dalam metalurgi.”

Pelet paduan logam yang dipadatkan ditempatkan di samping bubuk logam besi tungsten-kromium yang telah digiling dalam perahu yang digunakan untuk menimbang logam. Bola baja digunakan untuk mengubah bentuk logam di pabrik bola berenergi tinggi. Kredit: Denis Paiste/Pusat Pemrosesan Bahan
Cordero lulus dari MIT pada tahun 2010 dengan gelar sarjana fisika dan bekerja selama satu tahun di Lawrence Berkeley National Lab. Di sana, ia terinspirasi oleh staf teknik yang belajar dari ahli metalurgi generasi sebelumnya yang membuat cawan lebur khusus untuk menampung plutonium untuk Proyek Manhattan selama Perang Dunia II. “Mendengar hal-hal yang sedang mereka kerjakan membuat saya sangat bersemangat dan tertarik pada pengolahan logam. Ini juga sangat menyenangkan,” kata Cordero. Dalam sub-disiplin ilmu material lainnya, dia berkata, “Anda tidak bisa membuka tungku pada suhu 1.000 C, dan melihat sesuatu yang bersinar merah panas. Anda tidak bisa memanaskan barang-barang.” Ia berharap dapat menyelesaikan PhD-nya pada tahun 2015.

Meskipun karyanya saat ini terfokus pada aplikasi struktural, jenis pengolahan bubuk yang dilakukannya juga digunakan untuk membuat bahan magnetik. “Banyak informasi dan pengetahuan yang bisa diterapkan pada hal lain,” ujarnya. “Meskipun ini adalah metalurgi struktural tradisional, Anda dapat menerapkan metalurgi jadul ini pada material jadul baru.”