Nove volframove zlitine, ki jih razvija skupina Schuh na MIT, bi lahko potencialno nadomestile osiromašeni uran v oklepnih izstrelkih. Podiplomski študent četrtega letnika znanosti o materialih in inženiringa Zachary C. Cordero dela na materialu z nizko toksičnostjo, visoko trdnostjo in gostoto za zamenjavo osiromašenega urana v strukturnih vojaških aplikacijah. Osiromašeni uran predstavlja potencialno nevarnost za zdravje vojakov in civilistov. "To je motivacija za poskus zamenjave," pravi Cordero.

Običajni volfram bi ob udarcu zrastel ali topi, kar je najslabša možna zmogljivost. Izziv je torej razviti zlitino, ki se bo lahko kosala z zmogljivostjo osiromašenega urana, ki postane samoostren, ko odreže material in ohrani oster nos na vmesniku penetrator-tarča. »Volfram je sam po sebi izjemno močan in trd. Dodali smo druge legirne elemente, da bi ga lahko utrdili v ta razsuti predmet,« pravi Cordero.

Volframova zlitina s kromom in železom (W-7Cr-9Fe) je bila znatno močnejša od komercialnih volframovih zlitin, je Cordero poročal v prispevku z višjim avtorjem in vodjo Oddelka za znanost in inženirstvo materialov Christopherjem A. Schuhom in sodelavci v reviji Metallurgical and Materials Transakcije A. Izboljšanje je bilo doseženo s stiskanjem kovinskih praškov v vroči stiskalnici za sintranje na terenu, s najboljši rezultat, merjen z drobnozrnato strukturo in najvišjo trdoto, dosežen pri času obdelave 1 minute pri 1200 stopinjah Celzija. Daljši časi obdelave in višje temperature so povzročili bolj groba zrna in slabše mehanske lastnosti. Soavtorji so bili podiplomski študent inženirstva in znanosti o materialih MIT Mansoo Park, podoktorska sodelavka Oak Ridgea Emily L. Huskins, izredna profesorica države Boise Megan Frary in podiplomski študent Steven Livers ter strojni inženir in vodja ekipe Army Research Laboratory Brian E. Schuster. Opravljeni so bili tudi balistični testi zlitine volfram-krom-železo na podskalu.

"Če lahko izdelate nanostrukturiran ali amorfen volfram (zlitino), bi to res moral biti idealen balistični material," pravi Cordero. Cordero, rojen v Bridgewaterju, NJ, je leta 2012 prejel štipendijo za nacionalno obrambno znanost in inženiring (NDSEG) prek Urada za znanstvene raziskave letalskih sil. Njegovo raziskavo financira ameriška obrambna agencija za zmanjšanje nevarnosti.

Ultrafina zrnata struktura

»Način, na katerega izdelujem svoje materiale, je obdelava v prahu, kjer najprej naredimo nanokristalni prah in ga nato konsolidiramo v razsuti predmet. Toda izziv je, da konsolidacija zahteva izpostavljanje materiala višjim temperaturam,« pravi Cordero. Segrevanje zlitin na visoke temperature lahko povzroči, da se zrna ali posamezne kristalne domene v kovini povečajo, kar jih oslabi. Cordero je uspel doseči ultrafino zrnato strukturo približno 130 nanometrov v kompaktu W-7Cr-9Fe, potrjeno z elektronskimi mikrografi. »Z uporabo te poti obdelave prahu lahko naredimo velike vzorce s premerom do 2 centimetra ali pa bi lahko bili večji z dinamično tlačno trdnostjo 4 GPa (gigapaskalov). Dejstvo, da lahko te materiale izdelamo z uporabo razširljivega procesa, je morda še bolj impresivno,« pravi Cordero.

»Kot skupina poskušamo narediti velike stvari s finimi nanostrukturami. Razlog, da to želimo, je, ker imajo ti materiali zelo zanimive lastnosti, ki so potencialno uporabne v številnih aplikacijah,« dodaja Cordero.

V naravi ga ne najdemo

Cordero je v članku revije Acta Materialia preučil tudi trdnost praškov kovinskih zlitin z mikrostrukturami v nanometrskem merilu. Cordero je z višjim avtorjem Schuhom uporabil računalniške simulacije in laboratorijske poskuse, da bi pokazal, da so zlitine kovin, kot sta volfram in krom s podobnimi začetnimi trdnostmi, nagnjene k homogenizaciji in proizvajanju močnejšega končnega izdelka, medtem ko so kombinacije kovin z velikim neskladjem začetnih trdnosti, npr. saj sta volfram in cirkonij ponavadi proizvajala šibkejšo zlitino z več kot eno prisotno fazo.

»Postopek visokoenergijskega krogličnega mletja je en primer večje družine procesov, v katerih deformirate material, da spravite njegovo mikrostrukturo v čudno neravnovesno stanje. V resnici ni dobrega okvira za napovedovanje mikrostrukture, ki se pojavi, zato je to velikokrat poskus in napaka. Poskušali smo odstraniti empirizem iz oblikovanja zlitin, ki bodo tvorile metastabilno trdno raztopino, kar je en primer neravnovesne faze,« pojasnjuje Cordero.

"Proizvajate te neravnovesne faze, stvari, ki jih običajno ne bi videli v svetu okoli sebe, v naravi, z uporabo teh resnično ekstremnih procesov deformacije," pravi. Postopek visokoenergijskega krogličnega mletja vključuje ponavljajoče se striženje kovinskih praškov, pri čemer striženje poganja legirne elemente, da se med seboj premešajo, medtem ko se med seboj tekmujejo, termično aktivirani procesi obnavljanja omogočajo, da se zlitina vrne v ravnotežno stanje, ki je v mnogih primerih fazno ločevanje. . "Torej obstaja konkurenca med tema dvema procesoma," pojasnjuje Cordero. Njegov članek je predlagal preprost model za napovedovanje kemije v določeni zlitini, ki bo tvorila trdno raztopino, in ga potrdil s poskusi. »Zmleti prah je nekaj najtrših kovin, kar so jih ljudje videli,« pravi Cordero in ugotavlja, da so testi pokazali, da ima zlitina volfram-krom nanoindentacijsko trdoto 21 GPa. Zaradi tega so nanoindentacijske trdote približno dvakrat večje od nanokristalnih zlitin na osnovi železa ali grobozrnatega volframa.

Metalurgija zahteva fleksibilnost

V ultrafinozrnatih zlitinah volfram-krom-železo, ki jih je preučeval, so zlitine pobrale železo zaradi abrazije jeklenih brusilnih medijev in viale med visokoenergijskim krogličnim rezkanjem. "Vendar se je izkazalo, da je to lahko tudi dobra stvar, saj je videti, kot da pospeši zgoščevanje pri nizkih temperaturah, kar zmanjša količino časa, ki ga morate porabiti pri teh visokih temperaturah, ki bi lahko povzročile slabe spremembe v mikrostrukturi," pojasnjuje Cordero. "Velika stvar je biti prilagodljiv in prepoznati priložnosti v metalurgiji."

Stisnjena peleta kovinske zlitine se nahaja poleg zmletega železovega prahu volframa in kroma v čolnu, ki se uporablja za tehtanje kovin. Jeklene krogle se uporabljajo za deformacijo kovin v visokoenergijskem krogličnem mlinu. Zasluge: Denis Paiste/Center za obdelavo materialov
Cordero je leta 2010 diplomiral iz fizike na MIT in eno leto delal v nacionalnem laboratoriju Lawrence Berkeley. Tam ga je navdihnilo inženirsko osebje, ki se je učilo od prejšnje generacije metalurgov, ki so med drugo svetovno vojno izdelovali posebne lončke za plutonij za projekt Manhattan. »Ko sem slišal, na kakšnih stvareh delajo, sem bil zelo navdušen nad obdelavo kovin. Prav tako je zelo zabavno,« pravi Cordero. V drugih poddisciplinah znanosti o materialih pravi: »Ne morete odpreti peči pri 1000 C in videti, da nekaj žari rdeče vroče. Ni vam treba toplotno obdelati stvari. Pričakuje, da bo leta 2015 končal doktorat.

Čeprav je njegovo trenutno delo osredotočeno na strukturne aplikacije, se vrsta obdelave prahu, ki jo izvaja, uporablja tudi za izdelavo magnetnih materialov. "Veliko informacij in znanja je mogoče uporabiti za druge stvari," pravi. "Čeprav je to tradicionalna konstrukcijska metalurgija, lahko to starošolsko metalurgijo uporabite za nove šolske materiale."