Nieuwe wolfraamlegeringen die worden ontwikkeld in de Schuh Group van het MIT zouden mogelijk verarmd uranium in pantserdoordringende projectielen kunnen vervangen. Zachary C. Cordero, vierdejaars student materiaalkunde en techniek, werkt aan materiaal met een lage toxiciteit, hoge sterkte en hoge dichtheid ter vervanging van verarmd uranium in structurele militaire toepassingen. Verarmd uranium vormt een potentieel gevaar voor de gezondheid van soldaten en burgers. “Dat is de motivatie om het te proberen te vervangen”, zegt Cordero.

Normaal wolfraam zou bij een botsing als paddestoelen uit de grond komen of stomp worden, wat de slechtst mogelijke prestatie zou zijn. De uitdaging is dus om een ​​legering te ontwikkelen die de prestaties van verarmd uranium kan evenaren, die zelfslijpend wordt als het materiaal afscheert en een scherpe neus behoudt op het grensvlak tussen de penetrator en het doel. “Wolfraam is op zichzelf uitzonderlijk sterk en hard. We hebben er andere legeringselementen in gedaan om het zo te maken dat we het tot dit bulkobject kunnen consolideren”, zegt Cordero.

Een wolfraamlegering met chroom en ijzer (W-7Cr-9Fe) was aanzienlijk sterker dan commerciële wolfraamlegeringen, rapporteerde Cordero in een artikel met senior auteur en hoofd van de afdeling Materials Science and Engineering Christopher A. Schuh en collega's in het tijdschrift Metallurgical and Materials Transacties A. De verbetering werd bereikt door metaalpoeders te compacteren in een veldondersteunde hete sinterpers, met het beste resultaat, gemeten aan de hand van de fijne korrelstructuur en de hoogste hardheid, bereikt bij een verwerkingstijd van 1 minuut bij 1200 graden Celsius. Langere verwerkingstijden en hogere temperaturen leidden tot grovere korrels en zwakkere mechanische prestaties. Co-auteurs waren onder meer MIT engineering en materiaalkunde afgestudeerde student Mansoo Park, Oak Ridge postdoctoraal fellow Emily L. Huskins, Boise State Associate Professor Megan Frary en afgestudeerde student Steven Livers, en Army Research Laboratory werktuigbouwkundig ingenieur en teamleider Brian E. Schuster. Er zijn ook ballistische tests op subschaal van de wolfraam-chroom-ijzerlegering uitgevoerd.

“Als je wolfraam (legering) in bulk met nanostructuur of amorf kunt maken, zou het echt een ideaal ballistisch materiaal moeten zijn”, zegt Cordero. Cordero, geboren in Bridgewater, NJ, ontving in 2012 een National Defense Science and Engineering (NDSEG) Fellowship via het Air Force Office of Scientific Research. Zijn onderzoek wordt gefinancierd door het Amerikaanse Defense Threat Reduction Agency.

Ultrafijne korrelstructuur

“De manier waarop ik mijn materialen maak is met poederverwerking, waarbij we eerst nanokristallijn poeder maken en dit vervolgens consolideren tot een bulkobject. Maar de uitdaging is dat consolidatie vereist dat het materiaal aan hogere temperaturen wordt blootgesteld”, zegt Cordero. Het verwarmen van de legeringen tot hoge temperaturen kan ervoor zorgen dat de korrels, of individuele kristallijne domeinen, in het metaal groter worden, waardoor ze zwakker worden. Cordero was in staat om een ​​ultrafijne korrelstructuur van ongeveer 130 nanometer te bereiken in de W-7Cr-9Fe compact, bevestigd door elektronenmicrofoto's. “Met deze poederverwerkingsroute kunnen we grote monsters maken met een diameter tot 2 centimeter, of we kunnen groter gaan, met dynamische druksterktes van 4 GPa (gigapascal). Het feit dat we deze materialen via een schaalbaar proces kunnen maken, is misschien nog wel indrukwekkender”, zegt Cordero.

“Wat we als groep proberen te doen, is grote dingen maken met fijne nanostructuren. De reden dat we dat willen is omdat deze materialen zeer interessante eigenschappen hebben die in veel toepassingen kunnen worden gebruikt”, aldus Cordero.

Niet te vinden in de natuur

Cordero onderzocht ook de sterkte van metaallegeringspoeders met microstructuren op nanoschaal in een tijdschriftartikel van Acta Materialia. Cordero gebruikte samen met senior auteur Schuh zowel computationele simulaties als laboratoriumexperimenten om aan te tonen dat legeringen van metalen zoals wolfraam en chroom met vergelijkbare initiële sterktes de neiging hadden te homogeniseren en een sterker eindproduct te produceren, terwijl combinaties van metalen met een grote initiële sterkte niet bij elkaar passen. aangezien wolfraam en zirkonium de neiging hadden een zwakkere legering te produceren met meer dan één fase aanwezig.

“Het proces van hoogenergetische kogelmalen is een voorbeeld van een grotere familie van processen waarbij je materiaal tot het uiterste vervormt om de microstructuur ervan in een vreemde niet-evenwichtstoestand te brengen. Er bestaat niet echt een goed raamwerk voor het voorspellen van de microstructuur die eruit komt, dus vaak is dit vallen en opstaan. We probeerden het empirisme weg te nemen bij het ontwerpen van legeringen die een metastabiele vaste oplossing zullen vormen, wat een voorbeeld is van een niet-evenwichtsfase”, legt Cordero uit.

"Je produceert deze niet-evenwichtsfasen, dingen die je normaal niet zou zien in de wereld om je heen, in de natuur, met behulp van deze werkelijk extreme vervormingsprocessen", zegt hij. Het proces van hoogenergetisch kogelmalen omvat het herhaaldelijk afschuiven van de metaalpoeders, waarbij het afschuiven de legeringselementen ertoe aanzet zich te vermengen, terwijl concurrerende, thermisch geactiveerde herstelprocessen ervoor zorgen dat de legering terugkeert naar haar evenwichtstoestand, wat in veel gevallen bestaat uit fasescheiding. . “Er is dus sprake van concurrentie tussen deze twee processen”, legt Cordero uit. Zijn artikel stelde een eenvoudig model voor om de chemie in een bepaalde legering te voorspellen die een vaste oplossing zal vormen, en valideerde dit met experimenten. “De gemalen poeders behoren tot de hardste metalen die mensen ooit hebben gezien”, zegt Cordero. Uit tests blijkt dat de wolfraam-chroomlegering een nano-indentatiehardheid heeft van 21 GPa. Dat maakt ze ongeveer het dubbele van de nano-indentatiehardheid van nanokristallijne legeringen op ijzerbasis of grofkorrelig wolfraam.

Metallurgie vereist flexibiliteit

In de ultrafijnkorrelige wolfraam-chroom-ijzerlegeringen die hij bestudeerde, namen de legeringen het ijzer op door slijtage van de stalen maalmedia en het flesje tijdens hoogenergetisch kogelmalen. “Maar het blijkt dat dit ook een goede zaak kan zijn, omdat het erop lijkt dat het de verdichting bij lage temperaturen versnelt, waardoor je minder tijd moet doorbrengen bij die hoge temperaturen die tot slechte veranderingen in de microstructuur kunnen leiden,” Cordero legt het uit. “Het belangrijkste is flexibel zijn en kansen in de metallurgie herkennen.”

Een gecomprimeerde pellet van een metaallegering ligt naast gemalen wolfraam-chroom-ijzermetaalpoeders in een boot die wordt gebruikt voor het wegen van de metalen. De stalen kogels worden gebruikt om de metalen te vervormen in een hoogenergetische kogelmolen. Krediet: Denis Paiste/Materiaalverwerkingscentrum
Cordero studeerde in 2010 af aan het MIT met een bachelor in natuurkunde en werkte een jaar bij het Lawrence Berkeley National Lab. Daar werd hij geïnspireerd door de technische staf die leerde van een eerdere generatie metallurgen die tijdens de Tweede Wereldoorlog speciale smeltkroezen maakten om plutonium in te bewaren voor het Manhattan Project. “Toen ik hoorde met wat voor soort dingen ze bezig waren, werd ik erg enthousiast en enthousiast over de metaalverwerking. Het is ook gewoon heel leuk”, zegt Cordero. In andere subdisciplines van de materiaalkunde zegt hij: 'Je kunt geen oven openen bij 1000 graden Celsius en iets roodgloeiend zien gloeien. Je kunt dingen niet met warmte behandelen.' Hij verwacht zijn PhD in 2015 af te ronden.

Hoewel zijn huidige werk zich richt op structurele toepassingen, wordt het soort poederverwerking dat hij doet ook gebruikt om magnetische materialen te maken. “Veel van de informatie en kennis kan op andere dingen worden toegepast”, zegt hij. "Ook al is dit traditionele structurele metallurgie, je kunt deze old-school metallurgie toepassen op nieuwe schoolmaterialen."