Noile aliaje de tungsten dezvoltate în grupul Schuh de la MIT ar putea înlocui uraniul sărăcit în proiectilele care perforau armura. Studentul absolvent al științei și ingineriei materialelor în anul al patrulea Zachary C. Cordero lucrează la material cu toxicitate scăzută, de înaltă rezistență și de înaltă densitate pentru înlocuirea uraniului sărăcit în aplicații militare structurale. Uraniul sărăcit reprezintă un potențial pericol pentru sănătatea soldaților și a civililor. „Aceasta este motivația pentru a încerca să-l înlocuiască”, spune Cordero.

Tungstenul normal s-ar ciuperca sau s-ar toci la impact, cea mai proasta performanta posibila. Așadar, provocarea este de a dezvolta un aliaj care să se potrivească cu performanța uraniului sărăcit, care devine auto-ascuțit pe măsură ce tăie materialul și menține un nas ascuțit la interfața penetrator-țintă. „Tungstenul în sine este excepțional de puternic și dur. Am introdus alte elemente de aliere pentru a-l face astfel încât să îl putem consolida în acest obiect în vrac”, spune Cordero.

Un aliaj de tungsten cu crom și fier (W-7Cr-9Fe) a fost semnificativ mai puternic decât aliajele comerciale de tungsten, a raportat Cordero într-o lucrare cu autorul principal și șeful Departamentului de Știința și Inginerie a Materialelor, Christopher A. Schuh și colegii din revista Metallurgical and Materials. Tranzacții A. Îmbunătățirea a fost realizată prin compactarea pulberilor metalice într-o presă la cald de sinterizare asistată în câmp, cu cel mai bun rezultat, măsurat prin Structură cu granulație fină și duritate maximă, realizată la un timp de procesare de 1 minut la 1.200 de grade Celsius. Timpi mai lungi de procesare și temperaturi mai ridicate au dus la boabe mai grosiere și performanțe mecanice mai slabe. Co-autorii au inclus studentul absolvent de inginerie și știința materialelor la MIT, Mansoo Park, Emily L. Huskins, coleg postdoctoral din Oak Ridge, profesor asociat de stat Boise Megan Frary și studentul absolvent Steven Livers, și inginer mecanic și lider de echipă de la Army Research Laboratory, Brian E. Schuster. De asemenea, au fost efectuate teste balistice la scară secundară ale aliajului tungsten-crom-fier.

„Dacă puteți face tungsten în vrac nanostructurat sau amorf (aliaj), ar trebui să fie într-adevăr un material balistic ideal”, spune Cordero. Cordero, originar din Bridgewater, NJ, a primit o bursă de știință și inginerie a apărării naționale (NDSEG) în 2012 prin intermediul Oficiului de Cercetare Științifică a Forțelor Aeriene. Cercetarea sa este finanțată de Agenția SUA pentru Reducerea Amenințărilor pentru Apărare.

Structură cu granulație ultrafină

„Modul în care îmi fac materialele este prin procesarea pulberei, unde mai întâi facem pulbere nanocristalină și apoi o consolidăm într-un obiect în vrac. Dar provocarea este că consolidarea necesită expunerea materialului la temperaturi mai ridicate”, spune Cordero. Încălzirea aliajelor la temperaturi ridicate poate determina lărgirea granulelor sau a domeniilor cristaline individuale din metal, ceea ce le slăbește. Cordero a reușit să obțină o structură de granulație ultrafină de aproximativ 130 de nanometri în compactul W-7Cr-9Fe, confirmată prin micrografii electronice. „Folosind această rută de procesare a pulberii, putem face mostre mari de până la 2 centimetri în diametru sau am putea merge mai mari, cu rezistențe dinamice la compresiune de 4 GPa (gigapascali). Faptul că putem realiza aceste materiale folosind un proces scalabil este poate chiar mai impresionant”, spune Cordero.

„Ceea ce încercăm să facem ca grup este să facem lucruri în vrac cu nanostructuri fine. Motivul pentru care ne dorim acest lucru este pentru că aceste materiale au proprietăți foarte interesante care sunt de potențial utilizare în multe aplicații”, adaugă Cordero.

Nu se găsește în natură

Cordero a examinat, de asemenea, rezistența pulberilor din aliaje metalice cu microstructuri la scară nanometrică într-o lucrare a jurnalului Acta Materialia. Cordero, împreună cu autorul principal Schuh, a folosit atât simulări computaționale, cât și experimente de laborator pentru a arăta că aliajele de metale, cum ar fi wolfram și crom, cu rezistențe inițiale similare, au avut tendința de a se omogeniza și de a produce un produs final mai puternic, în timp ce combinațiile de metale cu o nepotrivire mare a rezistenței inițiale, cum ar fi deoarece tungstenul și zirconiul au avut tendința de a produce un aliaj mai slab, cu mai multe faze prezente.

„Procesul de măcinare cu bile de înaltă energie este un exemplu de familie mai mare de procese în care deformați dracu de material pentru a-i conduce microstructura într-o stare ciudată de neechilibru. Nu există un cadru bun pentru a prezice microstructura care iese, așa că de multe ori aceasta este încercare și eroare. Am încercat să eliminăm empirismul din proiectarea aliajelor care vor forma o soluție solidă metastabilă, care este un exemplu de fază de neechilibru”, explică Cordero.

„Produceți aceste faze de neechilibru, lucruri pe care nu le-ați vedea în mod normal în lumea din jurul vostru, în natură, folosind aceste procese de deformare extreme”, spune el. Procesul de măcinare cu bile de înaltă energie implică forfecarea repetată a pulberilor metalice, forfecarea care conduce elementele de aliere să se amestece în timp ce concurente, procesele de recuperare activate termic permit aliajului să revină la starea sa de echilibru, care în multe cazuri este separarea de fază. . „Deci există această competiție între aceste două procese”, explică Cordero. Lucrarea sa a propus un model simplu pentru a prezice chimiile dintr-un aliaj dat care va forma o soluție solidă și a validat-o prin experimente. „Pudrele măcinate sunt unele dintre cele mai dure metale pe care oamenii le-au văzut”, spune Cordero, observând că testele au arătat că aliajul de tungsten-crom are o duritate de nanoindentare de 21 GPa. Acest lucru le face să fie aproximativ dublu față de duritatea de nanoindentare a aliajelor pe bază de fier nanocristalin sau a tungstenului cu granulație grosieră.

Metalurgia necesită flexibilitate

În compactele de aliaj de tungsten-crom-fier cu granulație ultrafine pe care le-a studiat, aliajele preiau fierul de la abraziunea mediului de măcinat și a flaconului din oțel în timpul măcinării cu bile de mare energie. „Dar se dovedește că poate fi, de asemenea, un lucru bun, pentru că se pare că accelerează densificarea la temperaturi scăzute, ceea ce reduce timpul pe care trebuie să-l petreci la acele temperaturi ridicate care ar putea duce la modificări nefavorabile ale microstructurii.” explică Cordero. „Cel mai important este să fii flexibil și să recunoști oportunitățile din metalurgie.”

Un pelet compactat din aliaj metalic se așează lângă pulberile metalice de fier tungsten-crom măcinate într-o barcă folosită pentru cântărirea metalelor. Bilele de oțel sunt folosite pentru a deforma metalele într-o moară cu bile de înaltă energie. Credit: Denis Paiste/Centrul de procesare a materialelor
Cordero a absolvit MIT în 2010 cu o licență în fizică și a lucrat timp de un an la Lawrence Berkeley National Lab. Acolo, el a fost inspirat de personalul de inginerie care a învățat de la o generație anterioară de metalurgiști care au făcut creuzete speciale pentru a păstra plutoniu pentru Proiectul Manhattan în timpul celui de-al Doilea Război Mondial. „Auzind genul de lucruri la care lucrau, m-a încântat și pasionat de prelucrarea metalelor. De asemenea, este foarte distractiv”, spune Cordero. În alte sub-discipline ale științei materialelor, el spune: „Nu poți să deschizi un cuptor la 1.000 C și să vezi ceva care strălucește în roșu. Nu apuci să tratezi chestii termice.” Se așteaptă să-și termine doctoratul în 2015.

Deși munca sa actuală se concentrează pe aplicații structurale, tipul de prelucrare a pulberii pe care îl face este folosit și pentru a face materiale magnetice. „O mulțime de informații și cunoștințe pot fi aplicate la alte lucruri”, spune el. „Chiar dacă aceasta este metalurgia structurală tradițională, puteți aplica această metalurgie de școală veche la materialele de școală nouă.”