Novas ligas de tungstênio em desenvolvimento no Grupo Schuh no MIT poderiam potencialmente substituir o urânio empobrecido em projéteis perfurantes. Zachary C. Cordero, estudante de graduação em engenharia e ciência de materiais do quarto ano, está trabalhando em material de baixa toxicidade, alta resistência e alta densidade para substituir o urânio empobrecido em aplicações militares estruturais. O urânio empobrecido representa um perigo potencial para a saúde de soldados e civis. “Essa é a motivação para tentar substituí-lo”, diz Cordero.

O tungstênio normal aumentaria ou diminuiria com o impacto, o pior desempenho possível. Portanto, o desafio é desenvolver uma liga que possa igualar o desempenho do urânio empobrecido, que se torna autoafiável à medida que corta o material e mantém uma ponta afiada na interface do penetrador-alvo. “O tungstênio por si só é excepcionalmente forte e duro. Colocamos outros elementos de liga para que possamos consolidá-lo neste objeto a granel”, diz Cordero.

Uma liga de tungstênio com cromo e ferro (W-7Cr-9Fe) era significativamente mais forte do que as ligas comerciais de tungstênio, relatou Cordero em um artigo com o autor sênior e chefe do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Christopher A. Schuh, e colegas na revista Metallurgical and Materials. Transações A. A melhoria foi alcançada compactando pós metálicos em uma prensa quente de sinterização assistida em campo, com o melhor resultado, medido pela estrutura de grão fino e maior dureza, alcançado em um tempo de processamento de 1 minuto a 1.200 graus Celsius. Tempos de processamento mais longos e temperaturas mais altas levaram a grãos mais grossos e desempenho mecânico mais fraco. Os coautores incluíram Mansoo Park, estudante de pós-graduação em engenharia e ciência de materiais do MIT, Emily L. Huskins, pós-doutorada em Oak Ridge, Megan Frary, professora associada da Boise State, e Steven Livers, estudante de graduação, e Brian E. Schuster, engenheiro mecânico do Laboratório de Pesquisa do Exército e líder de equipe. Testes balísticos em subescala da liga tungstênio-cromo-ferro também foram realizados.

“Se você puder fazer tungstênio (liga) nanoestruturado ou amorfo, ele deveria ser realmente um material balístico ideal”, diz Cordero. Cordero, natural de Bridgewater, NJ, recebeu uma bolsa de estudos em Ciência e Engenharia de Defesa Nacional (NDSEG) em 2012 por meio do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea. Sua pesquisa é financiada pela Agência de Redução de Ameaças de Defesa dos EUA.

Estrutura de grão ultrafino

“A forma como faço meus materiais é através do processamento de pó, onde primeiro fazemos pó nanocristalino e depois o consolidamos em um objeto a granel. Mas o desafio é que a consolidação exige a exposição do material a temperaturas mais elevadas”, afirma Cordero. O aquecimento das ligas a altas temperaturas pode fazer com que os grãos, ou domínios cristalinos individuais, dentro do metal aumentem, o que os enfraquece. Cordero conseguiu atingir uma estrutura de grão ultrafino de cerca de 130 nanômetros no compacto W-7Cr-9Fe, confirmada por micrografias eletrônicas. “Usando essa rota de processamento de pó, podemos fazer amostras grandes de até 2 centímetros de diâmetro, ou podemos ir maiores, com resistências à compressão dinâmica de 4 GPa (gigapascais). O fato de podermos fabricar esses materiais usando um processo escalonável talvez seja ainda mais impressionante”, diz Cordero.

“O que estamos tentando fazer como grupo é produzir coisas volumosas com nanoestruturas finas. Queremos fazer isso porque esses materiais têm propriedades muito interessantes e com potencial de uso em muitas aplicações”, acrescenta Cordero.

Não encontrado na natureza

Cordero também examinou a resistência de pós de ligas metálicas com microestruturas em nanoescala em um artigo da revista Acta Materialia. Cordero, com o autor sênior Schuh, usou simulações computacionais e experimentos de laboratório para mostrar que ligas de metais como tungstênio e cromo com resistências iniciais semelhantes tendiam a homogeneizar e produzir um produto final mais forte, enquanto combinações de metais com uma grande incompatibilidade de resistência inicial, como já que o tungstênio e o zircônio tendem a produzir uma liga mais fraca com mais de uma fase presente.

“O processo de moagem de bolas de alta energia é um exemplo de uma família maior de processos em que você deforma totalmente o material para levar sua microestrutura a um estranho estado de desequilíbrio. Não existe realmente uma boa estrutura para prever a microestrutura resultante, então muitas vezes isso é tentativa e erro. Estávamos tentando remover o empirismo do projeto de ligas que formariam uma solução sólida metaestável, que é um exemplo de fase de desequilíbrio”, explica Cordero.

“Você produz essas fases de desequilíbrio, coisas que normalmente não veria no mundo ao seu redor, na natureza, usando esses processos de deformação realmente extremos”, diz ele. O processo de moagem de bolas de alta energia envolve cisalhamento repetido dos pós metálicos, com o cisalhamento fazendo com que os elementos de liga se misturem enquanto processos de recuperação competitivos e termicamente ativados permitem que a liga retorne ao seu estado de equilíbrio, que em muitos casos é a separação de fases. . “Portanto, existe essa competição entre esses dois processos”, explica Cordero. Seu artigo propôs um modelo simples para prever a química de uma determinada liga que formará uma solução sólida e o validou com experimentos. “Os pós moídos são alguns dos metais mais duros que as pessoas já viram”, diz Cordero, observando que testes mostraram que a liga de tungstênio-cromo tem uma dureza de nanoindentação de 21 GPa. Isso os torna quase o dobro da dureza de nanoindentação de ligas nanocristalinas à base de ferro ou de tungstênio de granulação grossa.

Metalurgia requer flexibilidade

Nos compactos de liga de tungstênio-cromo-ferro de grãos ultrafinos que ele estudou, as ligas captaram o ferro da abrasão do meio de moagem de aço e do frasco durante o moinho de bolas de alta energia. “Mas acontece que isso também pode ser uma coisa boa, porque parece que acelera a densificação em baixas temperaturas, o que reduz a quantidade de tempo que você tem que passar nessas altas temperaturas que podem levar a mudanças ruins na microestrutura,” Cordeiro explica. “O importante é ser flexível e reconhecer oportunidades na metalurgia.”

Uma pelota de liga metálica compactada fica ao lado de pós metálicos de tungstênio-cromo-ferro moídos em um barco usado para pesar os metais. As esferas de aço são usadas para deformar os metais em um moinho de bolas de alta energia. Crédito: Denis Paiste/Centro de Processamento de Materiais
Cordero se formou no MIT em 2010 com bacharelado em física e trabalhou por um ano no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. Lá, ele foi inspirado pela equipe de engenharia que aprendeu com uma geração anterior de metalúrgicos que fabricava cadinhos especiais para armazenar plutônio para o Projeto Manhattan durante a Segunda Guerra Mundial. “Ouvir o tipo de coisa em que eles estavam trabalhando me deixou muito entusiasmado e interessado no processamento de metais. Também é muito divertido”, diz Cordero. Em outras subdisciplinas da ciência dos materiais, ele diz: “Você não consegue abrir uma fornalha a 1.000°C e ver algo brilhando em brasa. Você não consegue tratar coisas com calor. Ele espera terminar seu doutorado em 2015.

Embora seu trabalho atual esteja focado em aplicações estruturais, o tipo de processamento de pó que ele realiza também é usado para fabricar materiais magnéticos. “Muita informação e conhecimento podem ser aplicados a outras coisas”, diz ele. “Mesmo que esta seja a metalurgia estrutural tradicional, você pode aplicar esta metalurgia da velha escola aos materiais da nova escola.”