Nye wolframlegeringer som utvikles i Schuh-gruppen ved MIT kan potensielt erstatte utarmet uran i pansergjennomtrengende prosjektiler. Fjerde års materialvitenskap og ingeniørstudent Zachary C. Cordero jobber med lavtoksisitet, høystyrke og høydensitetsmateriale for å erstatte utarmet uran i strukturelle militære applikasjoner. Utarmet uran utgjør en potensiell helsefare for soldater og sivile. "Det er motivasjonen for å prøve å erstatte den," sier Cordero.

Vanlig wolfram ville sopp eller sløv ved støt, den verst mulige ytelsen. Så utfordringen er å utvikle en legering som kan matche ytelsen til utarmet uran, som blir selvslipende når det skjærer av materiale og opprettholder en skarp nese ved grensesnittet mellom penetrator og mål. "Tungsten i seg selv er usedvanlig sterk og hard. Vi legger inn andre legeringselementer for å gjøre det slik at vi kan konsolidere det til dette bulkobjektet, sier Cordero.

En wolframlegering med krom og jern (W-7Cr-9Fe) var betydelig sterkere enn kommersielle wolframlegeringer, rapporterte Cordero i en artikkel med seniorforfatter og leder for Institutt for materialvitenskap og ingeniørvitenskap Christopher A. Schuh og kolleger i tidsskriftet Metallurgical and Materials Transaksjoner A. Forbedringen ble oppnådd ved å komprimere metallpulver i en feltassistert sintringsvarmepresse, med det beste resultatet, målt ved finkornstrukturen og høyeste hardhet, oppnådd ved en behandlingstid på 1 minutt ved 1200 grader Celsius. Lengre behandlingstid og høyere temperatur førte til grovere korn og svakere mekanisk ytelse. Medforfattere inkluderte MIT ingeniør- og materialvitenskapsstudent Mansoo Park, Oak Ridge postdoktor Emily L. Huskins, Boise State førsteamanuensis Megan Frary og doktorgradsstudent Steven Livers, og Army Research Laboratorys mekaniske ingeniør og teamleder Brian E. Schuster. Underskala ballistiske tester av wolfram-krom-jern-legeringen er også utført.

"Hvis du kan lage enten nanostrukturert eller amorf bulk wolfram (legering), bør det virkelig være et ideelt ballistisk materiale," sier Cordero. Cordero, hjemmehørende i Bridgewater, NJ, mottok et National Defense Science and Engineering (NDSEG) Fellowship i 2012 gjennom Air Force Office of Scientific Research. Forskningen hans er finansiert av US Defense Threat Reduction Agency.

Ultrafin kornstruktur

"Måten jeg lager materialene mine er med pulverbehandling, hvor vi først lager nanokrystallinsk pulver og deretter konsoliderer det til et bulkobjekt. Men utfordringen er at konsolidering krever at materialet utsettes for høyere temperaturer, sier Cordero. Oppvarming av legeringene til høye temperaturer kan føre til at kornene, eller individuelle krystallinske domener, i metallet forstørres, noe som svekker dem. Cordero var i stand til å oppnå en ultrafin kornstruktur på rundt 130 nanometer i W-7Cr-9Fe-kompakten, bekreftet av elektronmikrografer. "Ved å bruke denne pulverbehandlingsruten kan vi lage store prøver opptil 2 centimeter i diameter, eller vi kan bli større, med dynamiske trykkstyrker på 4 GPa (gigapascal). Det faktum at vi kan lage disse materialene ved hjelp av en skalerbar prosess er kanskje enda mer imponerende, sier Cordero.

"Det vi prøver å gjøre som en gruppe er å lage bulk ting med fine nanostrukturer. Grunnen til at vi ønsker det er fordi disse materialene har svært interessante egenskaper som er av potensiell bruk i mange applikasjoner, legger Cordero til.

Finnes ikke i naturen

Cordero undersøkte også styrken til metallegeringspulver med mikrostrukturer i nanoskala i en Acta Materialia-journal. Cordero, med seniorforfatter Schuh, brukte både beregningssimuleringer og laboratorieeksperimenter for å vise at legeringer av metaller som wolfram og krom med lignende begynnelsesstyrker hadde en tendens til å homogenisere og produsere et sterkere sluttprodukt, mens kombinasjoner av metaller med en stor initial styrkemismatch som f.eks. som wolfram og zirkonium hadde en tendens til å produsere en svakere legering med mer enn én fase til stede.

"Prosessen med høyenergikulefresing er et eksempel på en større familie av prosesser der du deformerer massevis av materiale for å drive mikrostrukturen inn i en merkelig ikke-likevektstilstand. Det er ikke et godt rammeverk for å forutsi mikrostrukturen som kommer ut, så mange ganger er dette prøving og feiling. Vi prøvde å fjerne empirien fra å designe legeringer som vil danne en metastabil fast løsning, som er ett eksempel på en ikke-likevektsfase, forklarer Cordero.

"Du produserer disse ikke-likevektsfasene, ting du vanligvis ikke ville sett i verden rundt deg, i naturen, ved å bruke disse virkelig ekstreme deformasjonsprosessene," sier han. Prosessen med høyenergikulefresing involverer gjentatt skjæring av metallpulveret med skjæringen som driver legeringselementene til å blande seg mens konkurrerende, termisk aktiverte utvinningsprosesser lar legeringen gå tilbake til sin likevektstilstand, som i mange tilfeller er å faseseparere . "Så det er denne konkurransen mellom disse to prosessene," forklarer Cordero. Papiret hans foreslo en enkel modell for å forutsi kjemi i en gitt legering som vil danne en solid løsning og validerte den med eksperimenter. "De malte pulverene er noen av de hardeste metallene som folk har sett," sier Cordero, og bemerker at tester viste at wolfram-kromlegeringen har en nanoindenteringshardhet på 21 GPa. Det gjør dem til omtrent det dobbelte av nanoindenteringshardheten til nanokrystallinske jernbaserte legeringer eller grovkornet wolfram.

Metallurgi krever fleksibilitet

I de ultrafinkornede wolfram-krom-jern-legeringspressene han studerte, tok legeringene opp jernet fra slitasje av stålslipemediet og hetteglasset under høyenergikulefresing. "Men det viser seg at det også kan være en god ting, fordi det ser ut som det akselererer fortetting ved lave temperaturer, noe som reduserer tiden du må bruke på de høye temperaturene som kan føre til dårlige endringer i mikrostrukturen," Cordero forklarer. "Det store er å være fleksibel og erkjenne muligheter innen metallurgi."

Cordero ble uteksaminert fra MIT i 2010 med en bachelor i fysikk og jobbet et år ved Lawrence Berkeley National Lab. Der ble han inspirert av ingeniørpersonalet som lærte av en tidligere generasjon metallurger som laget spesielle digler for å holde plutonium for Manhattan-prosjektet under andre verdenskrig. "Å høre hva slags ting de jobbet med gjorde meg veldig begeistret og opptatt av metallbehandling. Det er også bare veldig gøy, sier Cordero. I andre materialvitenskapelige subdisipliner sier han: «Du får ikke åpne en ovn ved 1000 C og se noe gløde rødglødende. Du får ikke varmebehandlet ting.» Han regner med å fullføre doktorgraden i 2015.

Selv om hans nåværende arbeid er fokusert på strukturelle applikasjoner, brukes den typen pulverbehandling han gjør også til å lage magnetiske materialer. "Mye av informasjonen og kunnskapen kan brukes til andre ting," sier han. "Selv om dette er tradisjonell strukturell metallurgi, kan du bruke denne gammeldagse metallurgien på nyskolematerialer."