Le nuove leghe di tungsteno sviluppate dal Gruppo Schuh al MIT potrebbero potenzialmente sostituire l’uranio impoverito nei proiettili perforanti. Zachary C. Cordero, studente laureato del quarto anno in scienze dei materiali e ingegneria, sta lavorando su un materiale a bassa tossicità, ad alta resistenza e ad alta densità per sostituire l'uranio impoverito in applicazioni militari strutturali. L’uranio impoverito rappresenta un potenziale pericolo per la salute di soldati e civili. "Questa è la motivazione per provare a sostituirlo", dice Cordero.

Il normale tungsteno si espanderebbe o si smusserebbe all'impatto, la peggiore prestazione possibile. Quindi la sfida è sviluppare una lega che possa eguagliare le prestazioni dell’uranio impoverito, che diventi autoaffilante mentre taglia via il materiale e mantenga una punta affilata all’interfaccia penetratore-bersaglio. “Il tungsteno di per sé è eccezionalmente forte e duro. Abbiamo inserito altri elementi di lega per farlo in modo da poterlo consolidare in questo oggetto sfuso", afferma Cordero.

Una lega di tungsteno con cromo e ferro (W-7Cr-9Fe) era significativamente più resistente delle leghe di tungsteno commerciali, ha riferito Cordero in un articolo con l'autore senior e capo del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali Christopher A. Schuh e colleghi sulla rivista Metallurgical and Materials Transazioni A. Il miglioramento è stato ottenuto compattando le polveri metalliche in una pressa a caldo per sinterizzazione assistita sul campo, con il miglior risultato, misurato dalla struttura a grana fine e dalla massima durezza, ottenuto in un tempo di lavorazione di 1 minuto a 1.200 gradi Celsius. Tempi di lavorazione più lunghi e temperature più elevate hanno portato a grani più grossi e prestazioni meccaniche inferiori. Tra i coautori figurano lo studente laureato in ingegneria e scienza dei materiali del MIT Mansoo Park, la ricercatrice post-dottorato di Oak Ridge Emily L. Huskins, la professoressa associata di Boise State Megan Frary e lo studente laureato Steven Livers, e l'ingegnere meccanico e leader del team dell'Army Research Laboratory Brian E. Schuster. Sono stati eseguiti anche test balistici su scala ridotta della lega tungsteno-cromo-ferro.

"Se riesci a produrre tungsteno (lega) nanostrutturato o amorfo, dovrebbe davvero essere un materiale balistico ideale", afferma Cordero. Cordero, originario di Bridgewater, NJ, ha ricevuto una borsa di studio NDSEG (National Defense Science and Engineering) nel 2012 attraverso l'Air Force Office of Scientific Research. La sua ricerca è finanziata dalla Defense Threat Reduction Agency degli Stati Uniti.

Struttura a grana ultrafine

“Il modo in cui realizzo i miei materiali è con la lavorazione della polvere, dove prima produciamo polvere nanocristallina e poi la consolidiamo in un oggetto sfuso. Ma la sfida è che il consolidamento richiede l’esposizione del materiale a temperature più elevate”, afferma Cordero. Il riscaldamento delle leghe ad alte temperature può causare l’ingrossamento dei grani, o dei singoli domini cristallini, all’interno del metallo, indebolendoli. Cordero è riuscito a ottenere una struttura a grana ultrafine di circa 130 nanometri nel compatto W-7Cr-9Fe, confermata dalle micrografie elettroniche. “Utilizzando questo percorso di lavorazione delle polveri, possiamo realizzare campioni di grandi dimensioni fino a 2 centimetri di diametro, oppure potremmo andare più grandi, con resistenze a compressione dinamica di 4 GPa (gigapascal). Il fatto che possiamo produrre questi materiali utilizzando un processo scalabile è forse ancora più impressionante”, afferma Cordero.

“Quello che stiamo cercando di fare come gruppo è realizzare oggetti sfusi con nanostrutture fini. Il motivo per cui lo vogliamo è perché questi materiali hanno proprietà molto interessanti che possono essere utilizzate in molte applicazioni”, aggiunge Cordero.

Non presente in natura

Cordero ha anche esaminato la resistenza delle polveri di leghe metalliche con microstrutture su scala nanometrica in un articolo pubblicato sulla rivista Acta Materialia. Cordero, con l'autore senior Schuh, ha utilizzato sia simulazioni computazionali che esperimenti di laboratorio per dimostrare che leghe di metalli come tungsteno e cromo con resistenze iniziali simili tendevano a omogeneizzarsi e produrre un prodotto finale più resistente, mentre combinazioni di metalli con un ampio disadattamento di resistenza iniziale come poiché il tungsteno e lo zirconio tendevano a produrre una lega più debole con più di una fase presente.

“Il processo di macinazione a sfere ad alta energia è un esempio di una famiglia più ampia di processi in cui si deforma completamente il materiale per portare la sua microstruttura in uno strano stato di non equilibrio. Non esiste un buon quadro di riferimento per prevedere la microstruttura che verrà fuori, quindi molte volte si tratta di tentativi ed errori. Stavamo cercando di rimuovere l’empirismo dalla progettazione di leghe che formeranno una soluzione solida metastabile, che è un esempio di fase di non equilibrio”, spiega Cordero.

"Produci queste fasi di non equilibrio, cose che normalmente non vedresti nel mondo intorno a te, in natura, utilizzando questi processi di deformazione davvero estremi", dice. Il processo di macinazione a palle ad alta energia prevede il taglio ripetuto delle polveri metalliche con il taglio che porta gli elementi di lega a mescolarsi mentre processi di recupero concorrenti, attivati ​​termicamente, consentono alla lega di tornare al suo stato di equilibrio, che in molti casi è quello di separare le fasi . "Quindi c'è questa competizione tra questi due processi", spiega Cordero. Il suo articolo ha proposto un modello semplice per prevedere le caratteristiche chimiche di una data lega che formerà una soluzione solida e lo ha convalidato con esperimenti. "Le polveri così macinate sono alcuni dei metalli più duri che le persone abbiano mai visto", afferma Cordero, notando che i test hanno dimostrato che la lega di tungsteno-cromo ha una durezza alla nanoindentazione di 21 GPa. Ciò li rende circa il doppio della durezza di nanoindentazione delle leghe nanocristalline a base di ferro o del tungsteno a grana grossa.

La metallurgia richiede flessibilità

Nelle leghe compatte di tungsteno-cromo-ferro a grana ultrafine da lui studiate, le leghe raccoglievano il ferro dall'abrasione dei mezzi di macinazione dell'acciaio e della fiala durante la macinazione a sfere ad alta energia. "Ma si scopre che può anche essere una buona cosa, perché sembra che acceleri la densificazione alle basse temperature, il che riduce la quantità di tempo che devi trascorrere a quelle alte temperature che potrebbero portare a cattivi cambiamenti nella microstruttura", Cordero spiega. “La cosa più importante è essere flessibili e riconoscere le opportunità nella metallurgia”.

Un pellet di lega metallica compattato si trova accanto alle polveri metalliche di ferro tungsteno-cromo macinate in una barca utilizzata per pesare i metalli. Le sfere d'acciaio vengono utilizzate per deformare i metalli in un mulino a sfere ad alta energia. Credito: Denis Paiste/Centro di lavorazione dei materiali
Cordero si è laureato in fisica al MIT nel 2010 e ha lavorato per un anno al Lawrence Berkeley National Lab. Lì, fu ispirato dallo staff tecnico che aveva imparato da una precedente generazione di metallurgisti che realizzavano crogioli speciali per contenere il plutonio per il Progetto Manhattan durante la seconda guerra mondiale. “Sentire il tipo di cose su cui stavano lavorando mi ha entusiasmato e appassionato alla lavorazione dei metalli. È anche molto divertente”, dice Cordero. In altre sotto-discipline della scienza dei materiali, dice: “Non puoi aprire una fornace a 1.000 C e vedere qualcosa che brilla di un rosso rovente. Non puoi trattare termicamente le cose. Conta di terminare il suo dottorato di ricerca nel 2015.

Sebbene il suo lavoro attuale sia incentrato su applicazioni strutturali, il tipo di lavorazione delle polveri che sta eseguendo viene utilizzato anche per realizzare materiali magnetici. "Molte informazioni e conoscenze possono essere applicate ad altre cose", afferma. "Anche se si tratta di metallurgia strutturale tradizionale, è possibile applicare questa metallurgia della vecchia scuola ai materiali della nuova scuola."