マサチューセッツ工科大学シュー・グループで開発中の新しいタングステン合金は、徹甲弾の劣化ウランに代わる可能性がある。材料科学工学大学院生 4 年生のザカリー C. コルデロ氏は、軍事構造用途で劣化ウランに代わる低毒性、高強度、高密度材料の開発に取り組んでいます。劣化ウランは兵士や民間人に潜在的な健康被害をもたらします。 「それが、それを置き換えようとする動機です」とコルデロ氏は言います。

通常のタングステンは衝撃を受けると急成長したり鈍くなったりして、最悪のパフォーマンスを示します。したがって、課題は、劣化ウランの性能に匹敵する合金を開発することである。劣化ウランは、材料を切り落とすときに自己研磨し、貫通体と標的の界面で鋭利な先端を維持する。 「タングステン自体は非常に強くて硬いのです。他の合金元素を加えてこのバルクオブジェクトに統合できるようにしました」とコルデロ氏は言います。

クロムと鉄を含むタングステン合金（W-7Cr-9Fe）は市販のタングステン合金よりも大幅に強かったと、コルデロ氏は上級著者で材料科学工学部長のクリストファー・A・シュー氏らと学術誌「冶金と材料」に掲載した論文で報告した。取引 A. この改善は、フィールド補助焼結ホットプレスで金属粉末を圧縮することによって達成され、細粒構造と最高の硬度によって測定される最良の結果は、摂氏 1,200 度で 1 分間の処理時間で達成されました。処理時間が長くなり、温度が高くなると、粒子が粗くなり、機械的性能が低下します。共著者には、MIT 工学および材料科学の大学院生マンスー・パーク氏、オークリッジ博士研究員エミリー・L・ハスキンス氏、ボイシ州立准教授ミーガン・フレイリー氏と大学院生スティーブン・リバーズ氏、陸軍研究所の機械エンジニアでチームリーダーのブライアン・E・シュスター氏が名を連ねた。タングステン-クロム-鉄合金のサブスケール弾道試験も実施されました。

「ナノ構造またはアモルファスのバルクタングステン（合金）を作ることができれば、それはまさに理想的な弾道材料となるはずです」とコルデロ氏は言う。ニュージャージー州ブリッジウォーター出身のコルデロ氏は、2012 年に空軍科学研究局を通じて国防科学工学 (NDSEG) フェローシップを受賞しました。彼の研究は米国国防脅威軽減局から資金提供を受けています。

超微粒子構造

「私が材料を作る方法は、最初にナノ結晶粉末を作り、次にそれをバルクの物体に固める粉末処理です。しかし、課題は、強化するには材料を高温にさらす必要があることです」とコルデロ氏は言います。合金を高温に加熱すると、金属内の粒子または個々の結晶ドメインが拡大し、合金が弱くなる可能性があります。 Cordero は、電子顕微鏡写真によって確認された、W-7Cr-9Fe 成形体で約 130 ナノメートルの超微細粒子構造を達成することができました。 「この粉末処理ルートを使用すると、直径最大 2 センチメートルの大きなサンプルを作成できます。また、動的圧縮強度が 4 GPa (ギガパスカル) のさらに大きなサンプルも作成できます。スケーラブルなプロセスを使用してこれらの材料を製造できるという事実は、おそらくさらに素晴らしいことです」とコルデロ氏は言います。

「私たちがグループとしてやろうとしているのは、微細なナノ構造を備えた大量のものを作ることです。私たちがそうしたい理由は、これらの材料が多くの用途に使用できる可能性のある非常に興味深い特性を持っているからです」とコルデロ氏は付け加えます。

自然界では見つからない

Cordero 氏は、Acta Materialsia 誌の論文で、ナノスケールの微細構造を持つ金属合金粉末の強度も調査しました。 Cordero は上級著者 Schuh とともに、計算シミュレーションと実験室実験の両方を使用して、同様の初期強度を持つタングステンやクロムなどの金属の合金は均質化してより強力な最終製品を生成する傾向があるのに対し、初期強度が大きな不一致を持つ金属の組み合わせは、タングステンとジルコニウムは複数の相が存在する弱い合金を生成する傾向があるためです。

「高エネルギーボールミル粉砕のプロセスは、材料を徹底的に変形させて微細構造を奇妙な非平衡状態に追い込む、より大きなプロセス群の一例です。実際に生じる微細構造を予測するための優れたフレームワークは存在しないため、多くの場合、試行錯誤が必要になります。私たちは、非平衡相の一例である準安定固溶体を形成する合金の設計から経験主義を排除しようとしていました」とコルデロ氏は説明します。

「これらの非常に極端な変形プロセスを使用して、自然界や周囲の世界では通常は見られない非平衡相を生成します」と彼は言います。高エネルギーボールミリングのプロセスでは、金属粉末のせん断を繰り返し、そのせん断によって合金元素が混合し、競合する熱活性化回復プロセスにより合金が平衡状態に戻り、多くの場合、相分離が起こります。 。 「つまり、これら 2 つのプロセスの間には競合が存在します」とコルデロ氏は説明します。彼の論文では、固溶体を形成する特定の合金の化学的性質を予測するための簡単なモデルを提案し、それを実験で検証しました。 「粉砕されたままの粉末は、これまで人々が見た中で最も硬い金属の一部です」とコルデロ氏は述べ、タングステン - クロム合金のナノインデンテーション硬度が 21 GPa であることがテストで示されたことを指摘しました。これにより、ナノ結晶鉄基合金や粗粒タングステンのナノインデンテーション硬度の約 2 倍になります。

冶金には柔軟性が必要です

彼が研究した超微粒子タングステン-クロム-鉄合金成形体では、高エネルギーボールミル粉砕中に鋼粉砕メディアとバイアルの摩耗から合金が鉄を取り込みました。 「しかし、それは一種の良いことでもあることがわかりました。なぜなら、低温での緻密化が促進され、微細構造の悪い変化につながる可能性のある高温で費やさなければならない時間が短縮されるようだからです。」コルデロ氏が説明する。 「重要なのは、柔軟性を持ち、冶金学のチャンスを認識することです。」

圧縮された金属合金ペレットは、金属の重量を量るために使用されるボート内で、粉砕されたままのタングステン - クロム鉄金属粉末の隣に置かれます。スチールボールは、高エネルギーボールミルで金属を変形させるために使用されます。クレジット: Denis Paiste/材料処理センター
コルデロは物理学の学士号を取得して 2010 年に MIT を卒業し、ローレンス バークレー国立研究所で 1 年間働きました。そこで彼は、第二次世界大戦中にマンハッタン計画のためにプルトニウムを入れるための特別なるつぼを作った前世代の冶金学者から学んだ技術スタッフにインスピレーションを受けました。 「彼らがどのようなことに取り組んでいるかを聞いて、私は非常に興奮し、金属加工に興味を持ちました。それはとても楽しいことでもあります」とコルデロは言います。他の材料科学の下位分野では、彼は次のように述べています。「1,000℃の炉を開けて、真っ赤に輝く何かを見ることはできません。物を熱処理することはできません。」彼は 2015 年に博士号を取得する予定です。

彼の現在の研究は構造用途に焦点を当てていますが、彼が行っている種類の粉末処理は磁性材料の製造にも使用されています。 「多くの情報と知識は他のことに応用できます」と彼は言います。 「これは伝統的な構造冶金学ですが、この昔ながらの冶金学を新しい材料に適用することができます。」