Nové zliatiny volfrámu, ktoré sa vyvíjajú v skupine Schuh na MIT, by mohli potenciálne nahradiť ochudobnený urán v projektiloch prepichujúcich pancier. Študent štvrtého ročníka materiálovej vedy a inžinierstva Zachary C. Cordero pracuje na materiáli s nízkou toxicitou, vysokou pevnosťou a vysokou hustotou, ktorý by nahradil ochudobnený urán v konštrukčných vojenských aplikáciách. Ochudobnený urán predstavuje potenciálne zdravotné riziko pre vojakov a civilistov. "To je motivácia pre pokus o jeho nahradenie," hovorí Cordero.

Normálny volfrám by pri náraze praskol alebo tupil, čo je najhorší možný výkon. Úlohou je teda vyvinúť zliatinu, ktorá by sa vyrovnala výkonu ochudobneného uránu, ktorý sa pri odstrihávaní materiálu stáva samoostricím a zachováva si ostrý nos na rozhraní penetrátora a cieľa. „Samotný volfrám je mimoriadne silný a tvrdý. Vložili sme ďalšie legovacie prvky, aby sme to urobili, aby sme to mohli spevniť do tohto hromadného objektu, “hovorí Cordero.

Zliatina volfrámu s chrómom a železom (W-7Cr-9Fe) bola výrazne pevnejšia ako komerčné zliatiny volfrámu, uviedol Cordero v článku so starším autorom a vedúcim Katedry materiálovej vedy a inžinierstva Christopherom A. Schuhom a kolegami v časopise Metallurgical and Materials. Transakcie A. Zlepšenie sa dosiahlo zhutňovaním kovových práškov v lise na spekanie za horúca s najlepším výsledkom, meraným jemnozrnnou štruktúrou a najvyššou tvrdosťou, dosiahnutým pri dobe spracovania 1 minúta pri 1200 stupňoch Celzia. Dlhšie časy spracovania a vyššie teploty viedli k hrubším zrnitostiam a slabšiemu mechanickému výkonu. Medzi spoluautorov patrili absolvent inžinierstva a vedy o materiáloch z MIT Mansoo Park, postdoktorandka z Oak Ridge Emily L. Huskins, docentka z Boise State Megan Frary a postgraduálny študent Steven Livers a strojný inžinier a vedúci tímu Army Research Laboratory Brian E. Schuster. Uskutočnili sa aj balistické testy v podrozsahu zliatiny volfrámu, chrómu a železa.

"Ak dokážete vyrobiť buď nanoštruktúrovaný alebo amorfný objemový volfrám (zliatinu), mal by to byť skutočne ideálny balistický materiál, " hovorí Cordero. Cordero, rodák z Bridgewater, NJ, získal v roku 2012 štipendium National Defence Science and Engineering (NDSEG) prostredníctvom Úradu pre vedecký výskum vzdušných síl. Jeho výskum je financovaný americkou Agentúrou na zníženie obranných hrozieb.

Ultrajemná štruktúra zrna

„Spôsob, akým vyrábam svoje materiály, je práškové spracovanie, kde najprv vyrábame nanokryštalický prášok a potom ho konsolidujeme do hromadného objektu. Výzvou však je, že konsolidácia vyžaduje vystavenie materiálu vyšším teplotám,“ hovorí Cordero. Zahrievanie zliatin na vysoké teploty môže spôsobiť zväčšenie zŕn alebo jednotlivých kryštalických domén v kove, čo ich oslabí. Cordero dokázalo dosiahnuť ultrajemnú štruktúru zŕn približne 130 nanometrov v kompaktu W-7Cr-9Fe, čo potvrdili elektrónové mikrofotografie. „Pomocou tohto postupu spracovania prášku dokážeme vyrobiť veľké vzorky s priemerom až 2 centimetre, alebo môžeme ísť aj väčšie, s dynamickou pevnosťou v tlaku 4 GPa (gigapascaly). Skutočnosť, že tieto materiály dokážeme vyrobiť pomocou škálovateľného procesu, je možno ešte pôsobivejšia,“ hovorí Cordero.

„To, o čo sa ako skupina snažíme, je vyrábať hromadné veci s jemnými nanoštruktúrami. Dôvod, prečo to chceme, je ten, že tieto materiály majú veľmi zaujímavé vlastnosti, ktoré majú potenciálne využitie v mnohých aplikáciách,“ dodáva Cordero.

V prírode sa nenachádza

Cordero tiež skúmal silu práškov kovových zliatin s mikroštruktúrami nanometrov v časopise Acta Materialia. Cordero so starším autorom Schuhom použili výpočtové simulácie aj laboratórne experimenty, aby ukázali, že zliatiny kovov, ako je volfrám a chróm s podobnými počiatočnými pevnosťami, majú tendenciu homogenizovať a vytvárať pevnejší konečný produkt, zatiaľ čo kombinácie kovov s veľkou počiatočnou pevnosťou nesúlad napr. pretože volfrám a zirkónium mali tendenciu vytvárať slabšiu zliatinu s viac ako jednou prítomnou fázou.

„Proces vysokoenergetického guľového frézovania je jedným z príkladov väčšej rodiny procesov, v ktorých sakra deformujete materiál, aby ste dostali jeho mikroštruktúru do zvláštneho nerovnovážneho stavu. V skutočnosti neexistuje dobrý rámec na predpovedanie mikroštruktúry, ktorá sa objaví, takže je to veľakrát pokus a omyl. Snažili sme sa odstrániť empirizmus z navrhovania zliatin, ktoré vytvoria metastabilný tuhý roztok, čo je jeden z príkladov nerovnovážnej fázy,“ vysvetľuje Cordero.

„Vyrábate tieto nerovnovážne fázy, veci, ktoré by ste normálne nevideli vo svete okolo vás, v prírode, pomocou týchto skutočne extrémnych deformačných procesov,“ hovorí. Proces vysokoenergetického guľového mletia zahŕňa opakované strihanie kovových práškov, pričom strihové strihy poháňajú legujúce prvky k vzájomnému premiešaniu, zatiaľ čo konkurenčné, tepelne aktivované regeneračné procesy umožňujú zliatine vrátiť sa do svojho rovnovážneho stavu, ktorým je v mnohých prípadoch fázová separácia. . "Takže medzi týmito dvoma procesmi existuje súťaž," vysvetľuje Cordero. Jeho článok navrhol jednoduchý model na predpovedanie chémie v danej zliatine, ktorá vytvorí tuhý roztok, a overil ho experimentmi. "Takto mleté ​​prášky sú jedny z najtvrdších kovov, aké ľudia videli," hovorí Cordero a poznamenáva, že testy ukázali, že zliatina volfrámu a chrómu má nanoindentačnú tvrdosť 21 GPa. To z nich robí približne dvojnásobnú tvrdosť nanoindentácie ako nanokryštalické zliatiny na báze železa alebo hrubozrnný volfrám.

Hutníctvo vyžaduje flexibilitu

V ultrajemnozrnných výliskoch zo zliatiny volfrámu, chrómu a železa, ktoré študoval, zliatiny zachytávali železo z obrusovania oceľového mlecieho média a nádobky počas vysokoenergetického guľového mletia. "Ukazuje sa však, že to môže byť tiež dobrá vec, pretože to vyzerá, že zrýchľuje zahusťovanie pri nízkych teplotách, čo znižuje množstvo času, ktoré musíte stráviť pri týchto vysokých teplotách, čo by mohlo viesť k zlým zmenám v mikroštruktúre." Cordero vysvetľuje. "Veľkou vecou je byť flexibilný a rozpoznať príležitosti v metalurgii."

Zhutnená peleta z kovovej zliatiny sedí vedľa rozomletých kovových práškov volfrámu a chrómu v člne používanom na váženie kovov. Oceľové guľôčky sa používajú na deformáciu kovov vo vysokoenergetickom guľovom mlyne. Kredit: Denis Paiste/Centrum spracovania materiálov
Cordero vyštudoval MIT v roku 2010 s bakalárskym titulom z fyziky a rok pracoval v Lawrence Berkeley National Lab. Tam sa inšpiroval technickým personálom, ktorý sa naučil od predchádzajúcej generácie metalurgov, ktorí vyrábali špeciálne tégliky na uchovávanie plutónia pre projekt Manhattan počas druhej svetovej vojny. „Počuť také veci, na ktorých pracovali, ma veľmi vzrušilo a zaujalo ma spracovanie kovov. Je to tiež veľa zábavy,“ hovorí Cordero. V iných pododboroch materiálovej vedy hovorí: „Nemôžete otvoriť pec pri 1 000 °C a vidieť niečo žiariace do červena. Nedostanete sa k tepelnej úprave vecí.“ Očakáva, že doktorandské štúdium dokončí v roku 2015.

Hoci sa jeho súčasná práca zameriava na štrukturálne aplikácie, druh spracovania prášku, ktorý robí, sa používa aj na výrobu magnetických materiálov. „Veľa informácií a vedomostí sa dá použiť na iné veci,“ hovorí. "Aj keď ide o tradičnú štrukturálnu metalurgiu, túto starú metalurgiu môžete použiť na materiály novej školy."