Nya volframlegeringar som utvecklas i Schuh-gruppen vid MIT kan potentiellt ersätta utarmat uran i pansargenomträngande projektiler. Fjärde året materialvetenskap och ingenjörsstudent Zachary C. Cordero arbetar på lågtoxicitet, höghållfast, högdensitetsmaterial för att ersätta utarmat uran i strukturella militära tillämpningar. Utarmat uran utgör en potentiell hälsorisk för soldater och civila. "Det är motivationen för att försöka ersätta den," säger Cordero.

Normal volfram skulle svamp eller trubba vid stöten, sämsta möjliga prestanda. Så utmaningen är att utveckla en legering som kan matcha prestandan hos utarmat uran, som blir självslipande när det skär av material och bibehåller en skarp nos vid gränssnittet penetrator-mål. "Tungsten i sig är exceptionellt starkt och hårt. Vi lägger in andra legeringselement för att göra det så att vi kan konsolidera det till detta bulkobjekt, säger Cordero.

En volframlegering med krom och järn (W-7Cr-9Fe) var betydligt starkare än kommersiella volframlegeringar, rapporterade Cordero i en artikel med senior författare och chef för Institutionen för materialvetenskap och teknik Christopher A. Schuh och kollegor i tidskriften Metallurgical and Materials Transaktioner A. Förbättringen uppnåddes genom att komprimera metallpulver i en fältassisterad sintringsvarmpress, med det bästa resultatet, mätt med den fina kornstrukturen och högsta hårdhet, uppnådd vid en bearbetningstid på 1 minut vid 1 200 grader Celsius. Längre bearbetningstider och högre temperaturer ledde till grövre korn och svagare mekanisk prestanda. Medförfattare inkluderade MIT ingenjörs- och materialvetenskap doktorand Mansoo Park, Oak Ridge postdoktor Emily L. Huskins, Boise State docent Megan Frary och doktorand Steven Livers, och Army Research Laboratorys mekaniska ingenjör och teamledare Brian E. Schuster. Underskala ballistiska tester av volfram-krom-järnlegeringen har också utförts.

"Om du kan göra antingen nanostrukturerad eller amorf bulkvolfram (legering), borde det verkligen vara ett idealiskt ballistiskt material," säger Cordero. Cordero, född i Bridgewater, NJ, fick ett National Defense Science and Engineering (NDSEG) Fellowship 2012 genom Air Force Office of Scientific Research. Hans forskning finansieras av US Defense Threat Reduction Agency.

Ultrafin kornstruktur

"Sättet som jag gör mina material är med pulverbearbetning där vi först gör nanokristallint pulver och sedan konsoliderar vi det till ett bulkobjekt. Men utmaningen är att konsolidering kräver att materialet utsätts för högre temperaturer, säger Cordero. Uppvärmning av legeringarna till höga temperaturer kan göra att kornen, eller enskilda kristallina domäner, i metallen förstoras, vilket försvagar dem. Cordero kunde uppnå en ultrafin kornstruktur på cirka 130 nanometer i W-7Cr-9Fe-kompakten, bekräftat av elektronmikrofotografier. "Med den här pulverbearbetningsvägen kan vi göra stora prover upp till 2 centimeter i diameter, eller så kan vi bli större, med dynamiska tryckhållfastheter på 4 GPa (gigapascal). Det faktum att vi kan tillverka dessa material med hjälp av en skalbar process är kanske ännu mer imponerande, säger Cordero.

"Vad vi försöker göra som grupp är att göra bulksaker med fina nanostrukturer. Anledningen till att vi vill det är för att dessa material har mycket intressanta egenskaper som är av potentiell användning i många applikationer, tillägger Cordero.

Finns inte i naturen

Cordero undersökte också styrkan hos metallegeringspulver med mikrostrukturer i nanoskala i ett journalpapper från Acta Materialia. Cordero, tillsammans med seniorförfattaren Schuh, använde både beräkningssimuleringar och laboratorieexperiment för att visa att legeringar av metaller som volfram och krom med liknande initiala styrkor tenderade att homogeniseras och producera en starkare slutprodukt, medan kombinationer av metaller med en stor initial hållfasthetsfel överensstämmer med t.ex. som volfram och zirkonium tenderade att producera en svagare legering med mer än en fas närvarande.

"Processen med högenergikulfräsning är ett exempel på en större familj av processer där man deformerar materialet för att driva dess mikrostruktur till ett konstigt icke-jämviktstillstånd. Det finns inget bra ramverk för att förutsäga mikrostrukturen som kommer ut, så många gånger är detta försök och misstag. Vi försökte ta bort empirin från att designa legeringar som kommer att bilda en metastabil fast lösning, vilket är ett exempel på en icke-jämviktsfas, förklarar Cordero.

"Du producerar dessa icke-jämviktsfaser, saker som du normalt inte skulle se i världen omkring dig, i naturen, med hjälp av dessa riktigt extrema deformationsprocesser", säger han. Processen med högenergikulmalning involverar upprepad skjuvning av metallpulvret med skjuvningen som driver legeringselementen att blandas samtidigt som konkurrerande, termiskt aktiverade återvinningsprocesser tillåter legeringen att återgå till sitt jämviktstillstånd, vilket i många fall är att fasseparera . "Så det finns den här konkurrensen mellan dessa två processer," förklarar Cordero. Hans papper föreslog en enkel modell för att förutsäga kemi i en given legering som kommer att bilda en solid lösning och validerade den med experiment. "De malda pulvren är några av de hårdaste metallerna som människor har sett," säger Cordero och noterar att tester visade att volfram-kromlegeringen har en nanointryckshårdhet på 21 GPa. Det gör dem till ungefär dubbelt så hög nanointryckshårdhet som nanokristallina järnbaserade legeringar eller grovkornig volfram.

Metallurgi kräver flexibilitet

I de ultrafinkorniga volfram-krom-järnlegeringspresskropparna han studerade, plockade legeringarna upp järnet från nötning av stålslipmediet och flaskan under högenergikulfräsning. "Men det visar sig att det också kan vara en bra sak, eftersom det ser ut som att det accelererar förtätning vid låga temperaturer, vilket minskar den tid du måste spendera vid de höga temperaturerna som kan leda till dåliga förändringar i mikrostrukturen," Cordero förklarar. "Det stora är att vara flexibel och se möjligheter inom metallurgi."

Cordero tog examen från MIT 2010 med en kandidatexamen i fysik och arbetade ett år på Lawrence Berkeley National Lab. Där inspirerades han av ingenjörspersonalen som lärde sig av en tidigare generation metallurger som tillverkade speciella deglar för att hålla plutonium för Manhattanprojektet under andra världskriget. "Att höra den sortens saker som de arbetade med gjorde mig väldigt upprymd och intresserad av metallbearbetning. Det är också bara väldigt roligt, säger Cordero. Inom andra materialvetenskapliga subdiscipliner säger han: "Du får inte öppna en ugn vid 1 000 C och se något som lyser glödhett. Du får inte värmebehandla saker.” Han räknar med att avsluta sin doktorsexamen 2015.

Även om hans nuvarande arbete är fokuserat på strukturella tillämpningar, används den typ av pulverbearbetning han gör också för att göra magnetiska material. "Mycket av informationen och kunskapen kan appliceras på andra saker", säger han. "Även om det här är traditionell strukturell metallurgi, kan du tillämpa den här gamla skolans metallurgi på nya skolans material."