Новые вольфрамовые сплавы, разрабатываемые группой Шух в Массачусетском технологическом институте, потенциально могут заменить обедненный уран в бронебойных снарядах. Аспирант четвертого курса материаловедения и инженерии Закари К. Кордеро работает над низкотоксичным, высокопрочным и плотным материалом для замены обедненного урана в военных целях. Обедненный уран представляет потенциальную опасность для здоровья солдат и гражданского населения. «Это мотивация попытаться заменить его», — говорит Кордеро.

Обычный вольфрам при ударе разрастется или затупится, что является худшей из возможных характеристик. Таким образом, задача состоит в том, чтобы разработать сплав, который мог бы соответствовать характеристикам обедненного урана, который становится самозатачивающимся по мере срезания материала и сохраняет острый кончик на границе раздела пенетратор-мишень. «Вольфрам сам по себе исключительно прочен и тверд. Мы добавили другие легирующие элементы, чтобы мы могли объединить его в этот объемный объект», — говорит Кордеро.

Вольфрамовый сплав с хромом и железом (W-7Cr-9Fe) был значительно прочнее, чем коммерческие вольфрамовые сплавы, сообщил Кордеро в статье со старшим автором и главой Департамента материаловедения и инженерии Кристофером А. Шухом и его коллегами в журнале Metallurgical and Materials. Операции A. Улучшение было достигнуто за счет уплотнения металлических порошков в горячем прессе для спекания в полевых условиях, причем лучший результат, измеряемый мелкозернистой структурой и высочайшей твердостью, был достигнут при времени обработки 1 минута при температуре 1200 градусов Цельсия. Более длительное время обработки и более высокие температуры привели к получению более крупного зерна и снижению механических характеристик. В число соавторов вошли аспирант Массачусетского технологического института в области инженерии и материаловедения Мансу Парк, постдокторант из Ок-Риджа Эмили Л. Хаскинс, доцент штата Бойсе Меган Фрэри и аспирант Стивен Ливерс, а также инженер-механик и руководитель группы Армейской исследовательской лаборатории Брайан Э. Шустер. Также были проведены субмасштабные баллистические испытания сплава вольфрам-хром-железо.

«Если вы можете сделать наноструктурированный или аморфный объемный вольфрам (сплав), это действительно должен быть идеальный баллистический материал», — говорит Кордеро. Кордеро, уроженец Бриджуотера, штат Нью-Джерси, получил стипендию Национальной оборонной науки и техники (NDSEG) в 2012 году через Управление научных исследований ВВС. Его исследования финансируются Агентством по уменьшению угроз Министерства обороны США.

Ультрамелкозернистая структура

«Я создаю материалы с помощью порошковой обработки, при которой сначала мы изготавливаем нанокристаллический порошок, а затем объединяем его в объемный объект. Но проблема в том, что консолидация требует воздействия на материал более высоких температур», — говорит Кордеро. Нагревание сплавов до высоких температур может привести к увеличению зерен или отдельных кристаллических областей внутри металла, что ослабляет их. Кордеро удалось достичь сверхмелкой зернистой структуры размером около 130 нанометров в компакте W-7Cr-9Fe, что подтверждено электронными микрофотографиями. «Используя этот метод обработки порошка, мы можем изготавливать большие образцы диаметром до 2 сантиметров или больше, с динамической прочностью на сжатие 4 ГПа (гигапаскалей). Тот факт, что мы можем производить эти материалы с помощью масштабируемого процесса, возможно, еще более впечатляет», — говорит Кордеро.

«То, что мы пытаемся сделать как группа, — это создавать объемные вещи с тонкими наноструктурами. Причина, по которой мы этого хотим, заключается в том, что эти материалы обладают очень интересными свойствами, которые потенциально можно использовать во многих приложениях», — добавляет Кордеро.

Не встречается в природе

Кордеро также исследовал прочность порошков металлических сплавов с наноразмерной микроструктурой в журнальной статье Acta Materialia. Кордеро вместе со старшим автором Шухом использовали как компьютерное моделирование, так и лабораторные эксперименты, чтобы показать, что сплавы металлов, таких как вольфрам и хром, с одинаковой начальной прочностью имеют тенденцию к гомогенизации и образованию более прочного конечного продукта, тогда как комбинации металлов с большой начальной прочностью не соответствуют таким поскольку вольфрам и цирконий имели тенденцию образовывать более слабый сплав с более чем одной фазой.

«Процесс высокоэнергетического шарового измельчения является одним из примеров более крупного семейства процессов, в которых вы деформируете материал до чертиков, приводя его микроструктуру в странное неравновесное состояние. На самом деле не существует хорошей основы для прогнозирования возникающей микроструктуры, поэтому во многих случаях это метод проб и ошибок. Мы пытались избавиться от эмпиризма при разработке сплавов, которые образуют метастабильный твердый раствор, который является одним из примеров неравновесной фазы», ​​— объясняет Кордеро.

«Вы создаете эти неравновесные фазы, вещи, которые вы обычно не увидите в окружающем вас мире, в природе, используя эти действительно экстремальные процессы деформации», — говорит он. Процесс высокоэнергетического шарового измельчения включает в себя многократное сдвигание металлических порошков, при этом сдвиг заставляет легирующие элементы смешиваться, в то время как конкурирующие процессы термически активируемого восстановления позволяют сплаву вернуться в равновесное состояние, что во многих случаях заключается в разделении фаз. . «Итак, между этими двумя процессами существует конкуренция», — объясняет Кордеро. В его статье была предложена простая модель для прогнозирования химического состава данного сплава, который будет образовывать твердый раствор, и подтверждена ее экспериментами. «Порошки после измельчения являются одними из самых твердых металлов, которые люди когда-либо видели», — говорит Кордеро, отмечая, что испытания показали, что вольфрам-хромовый сплав имеет твердость при наноиндентировании 21 ГПа. Это делает их примерно вдвое более прочными при наноиндентировании, чем нанокристаллические сплавы на основе железа или крупнозернистый вольфрам.

Металлургия требует гибкости

В прессовках из сверхмелкозернистого сплава вольфрама, хрома и железа, которые он изучал, сплавы поглощали железо в результате истирания стальных мелющих тел и флакона во время высокоэнергетического шарового помола. «Но оказывается, что это также может быть и хорошо, потому что похоже, что это ускоряет уплотнение при низких температурах, что сокращает количество времени, которое вам приходится проводить при таких высоких температурах, которые могут привести к плохим изменениям в микроструктуре». Кордеро объясняет. «Главное — проявлять гибкость и видеть возможности в металлургии».

Уплотненная таблетка металлического сплава находится рядом с измельченными вольфрамово-хромовыми металлическими порошками железа в лодочке, используемой для взвешивания металлов. Стальные шарики используются для деформации металлов в высокоэнергетической шаровой мельнице. Фото: Денис Пайсте/Центр обработки материалов.
Кордеро окончил Массачусетский технологический институт в 2010 году со степенью бакалавра физики и год проработал в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. Там его вдохновил инженерный состав, который учился у предыдущего поколения металлургов, которые изготавливали специальные тигли для хранения плутония для Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны. «Услышав, над чем они работают, я очень воодушевился и увлекся обработкой металлов. А еще это очень весело», — говорит Кордеро. В других дисциплинах материаловедения он говорит: «Вы не можете открыть печь при температуре 1000 C и увидеть что-то раскаленное докрасна. Вы не можете подвергать вещи термической обработке». Он планирует защитить докторскую диссертацию в 2015 году.

Хотя его нынешняя работа сосредоточена на структурных приложениях, тот вид обработки порошков, который он делает, также используется для изготовления магнитных материалов. «Много информации и знаний можно применить и к другим вещам», — говорит он. «Несмотря на то, что это традиционная конструкционная металлургия, вы можете применить эту металлургию старой школы к материалам новой школы».