Nowe stopy wolframu opracowywane w Grupie Schuh w MIT mogłyby potencjalnie zastąpić zubożony uran w pociskach przeciwpancernych. Student czwartego roku nauk o materiałach i inżynierii Zachary C. Cordero pracuje nad materiałem o niskiej toksyczności, wysokiej wytrzymałości i dużej gęstości, który mógłby zastąpić zubożony uran w konstrukcyjnych zastosowaniach wojskowych. Zubożony uran stwarza potencjalne zagrożenie dla zdrowia żołnierzy i ludności cywilnej. „To jest motywacja do próby jego zastąpienia” – mówi Cordero.

Zwykły wolfram rozwarstwia się lub tępi przy uderzeniu, co jest najgorszym możliwym rozwiązaniem. Wyzwanie polega zatem na opracowaniu stopu, który dorównuje właściwościami zubożonego uranu, który staje się samoostrzący w miarę odcinania materiału i utrzymuje ostry koniec na styku penetrator-cel. „Wolfram sam w sobie jest wyjątkowo mocny i twardy. Aby go wytworzyć, dodaliśmy inne dodatki stopowe, abyśmy mogli połączyć go w ten masowy obiekt” – mówi Cordero.

Stop wolframu z chromem i żelazem (W-7Cr-9Fe) był znacznie mocniejszy niż komercyjne stopy wolframu, stwierdził Cordero w artykule opublikowanym wspólnie ze starszym autorem i kierownikiem Wydziału Inżynierii Materiałowej Christopherem A. Schuhem i współpracownikami w czasopiśmie Metallurgical and Materials Transakcje A. Poprawę uzyskano poprzez zagęszczenie proszków metali w prasie do spiekania na gorąco ze wspomaganiem terenowym, z najlepszym efektem, mierzonym drobnoziarnistą strukturą i najwyższą twardością, osiągniętą przy czas przetwarzania 1 minuta w temperaturze 1200 stopni Celsjusza. Dłuższe czasy przetwarzania i wyższe temperatury doprowadziły do ​​grubszych ziaren i słabszych właściwości mechanicznych. Do współautorów należeli: absolwentka inżynierii i nauk o materiałach MIT Mansoo Park, Emily L. Huskins, doktorantka w Oak Ridge, profesor nadzwyczajna stanu Boise Megan Frary i doktorant Steven Livers oraz inżynier mechanik i lider zespołu Army Research Laboratory Brian E. Schuster. Przeprowadzono także badania balistyczne w podskali stopu wolframu, chromu i żelaza.

„Jeśli można wytworzyć nanostrukturalny lub amorficzny wolfram (stop), powinien to być naprawdę idealny materiał balistyczny” – mówi Cordero. Cordero, pochodzący z Bridgewater w stanie New Jersey, otrzymał w 2012 roku stypendium National Defense Science and Engineering (NDSEG) za pośrednictwem Biura Badań Naukowych Sił Powietrznych. Jego badania finansowane są przez amerykańską Agencję Redukcji Zagrożeń Obronnych.

Ultradrobna struktura ziaren

„Sposób, w jaki wytwarzam swoje materiały, polega na przetwarzaniu proszków, podczas którego najpierw wytwarzamy proszek nanokrystaliczny, a następnie konsolidujemy go w obiekt masowy. Wyzwanie polega jednak na tym, że konsolidacja wymaga wystawienia materiału na działanie wyższych temperatur” – mówi Cordero. Ogrzewanie stopów do wysokich temperatur może powodować powiększanie się ziaren lub poszczególnych domen krystalicznych w metalu, co prowadzi do ich osłabienia. Cordero był w stanie uzyskać w wyprasce W-7Cr-9Fe ultradrobną strukturę ziaren o wielkości około 130 nanometrów, co potwierdzają mikrografy elektronowe. „Korzystając z tej metody przetwarzania proszku, możemy wykonać duże próbki o średnicy do 2 centymetrów lub możemy uzyskać większe próbki o dynamicznej wytrzymałości na ściskanie wynoszącej 4 GPa (gigapaskali). Być może jeszcze większe wrażenie robi fakt, że możemy wytwarzać te materiały w skalowalnym procesie” – mówi Cordero.

„Jako grupa staramy się tworzyć produkty masowe z drobnymi nanostrukturami. Powodem, dla którego tego chcemy, jest to, że materiały te mają bardzo interesujące właściwości, które mogą potencjalnie znaleźć zastosowanie w wielu zastosowaniach” – dodaje Cordero.

Nie występuje w naturze

Cordero zbadał także wytrzymałość proszków stopów metali z mikrostrukturami w skali nano w artykule w czasopiśmie Acta Materialia. Cordero wraz ze starszym autorem Schuhem wykorzystali zarówno symulacje obliczeniowe, jak i eksperymenty laboratoryjne, aby wykazać, że stopy metali, takich jak wolfram i chrom, o podobnej wytrzymałości początkowej, mają tendencję do homogenizacji i wytwarzania mocniejszego produktu końcowego, podczas gdy kombinacje metali o dużym niedopasowaniu wytrzymałości początkowej, takie jak ponieważ wolfram i cyrkon miały tendencję do tworzenia słabszego stopu z obecnością więcej niż jednej fazy.

„Proces wysokoenergetycznego mielenia kulowego jest jednym z przykładów większej rodziny procesów, w których odkształca się kawał materiału, wprowadzając jego mikrostrukturę w dziwny stan nierównowagi. Tak naprawdę nie ma dobrych ram do przewidywania wychodzącej mikrostruktury, więc często jest to metoda prób i błędów. Próbowaliśmy pozbyć się empiryzmu przy projektowaniu stopów, które utworzą metastabilny roztwór stały, co jest jednym z przykładów fazy nierównowagowej” – wyjaśnia Cordero.

„Wytwarzasz te fazy nierównowagowe, rzeczy, których normalnie nie widziałbyś w otaczającym cię świecie, w naturze, wykorzystując te naprawdę ekstremalne procesy deformacji” – mówi. Proces wysokoenergetycznego mielenia kulowego obejmuje wielokrotne ścinanie proszków metali, podczas gdy ścinanie powoduje wymieszanie się składników stopowych, podczas gdy konkurencyjne, aktywowane termicznie procesy odzyskiwania pozwalają stopowi powrócić do stanu równowagi, który w wielu przypadkach polega na rozdzieleniu faz . „Zatem istnieje konkurencja między tymi dwoma procesami” – wyjaśnia Cordero. W jego artykule zaproponowano prosty model przewidywania składu chemicznego danego stopu, który utworzy roztwór stały, i zweryfikowano go eksperymentalnie. „Proszki po zmieleniu to jedne z najtwardszych metali, jakie ludzie widzieli” – mówi Cordero, odnotowując, że testy wykazały, że stop wolframu i chromu ma twardość nanowcięcia wynoszącą 21 GPa. To sprawia, że ​​mają one około dwukrotnie większą twardość nanowcięcia w porównaniu z nanokrystalicznymi stopami na bazie żelaza lub gruboziarnistym wolframem.

Metalurgia wymaga elastyczności

W wypraskach ze stopu wolframu, chromu i żelaza o najdrobniejszych ziarnach, które badał, stopy te wchłonęły żelazo w wyniku ścierania stalowych mediów mielących i fiolki podczas wysokoenergetycznego mielenia kulowego. „Ale okazuje się, że może to być również dobre rozwiązanie, ponieważ wygląda na to, że przyspiesza zagęszczanie w niskich temperaturach, co skraca czas przebywania w wysokich temperaturach, co może prowadzić do złych zmian w mikrostrukturze”. Cordero wyjaśnia. „Najważniejszą rzeczą jest bycie elastycznym i dostrzeganie możliwości w metalurgii”.

Cordero ukończył MIT w 2010 roku, uzyskując tytuł licencjata z fizyki i przez rok pracował w Lawrence Berkeley National Lab. Tam zainspirowała go kadra inżynieryjna, która uczyła się od wcześniejszego pokolenia metalurgów, którzy podczas II wojny światowej wytwarzali specjalne tygle do przechowywania plutonu na potrzeby Projektu Manhattan. „Słuchanie o tym, nad czym pracowali, bardzo mnie podekscytowało i zainteresowałem się obróbką metali. To także świetna zabawa” – mówi Cordero. W innych subdyscyplinach materiałoznawstwa mówi: „Nie da się otworzyć pieca rozgrzanego do 1000°C i zobaczyć czegoś rozżarzonego do czerwoności. Nie można poddawać obróbce cieplnej rzeczy. Planuje ukończyć doktorat w 2015 roku.

Chociaż jego obecna praca koncentruje się na zastosowaniach konstrukcyjnych, rodzaj przetwarzania proszków, który wykonuje, wykorzystuje się również do wytwarzania materiałów magnetycznych. „Wiele informacji i wiedzy można zastosować w innych celach” – mówi. „Mimo że jest to tradycyjna metalurgia strukturalna, można zastosować tę staroświecką metalurgię do materiałów nowej generacji”.