Нові вольфрамові сплави, які розробляються в Schuh Group в MIT, потенційно можуть замінити збіднений уран у бронебійних снарядах. Аспірант четвертого курсу факультету матеріалознавства та інженерії Закарі К. Кордеро працює над низькотоксичним, високоміцним матеріалом високої щільності для заміни збідненого урану у військових конструкціях. Збіднений уран становить потенційну небезпеку для здоров'я солдатів і цивільних. «Це мотивація спроби замінити його», — каже Кордеро.

Звичайний вольфрам під час удару може з’явитися як гриб або затупитися, це найгірша з можливих характеристик. Таким чином, завдання полягає в тому, щоб розробити сплав, який міг би відповідати характеристикам збідненого урану, який стає самозагострюваним, коли він відрізає матеріал і зберігає гострий ніс на межі проникнення-мішені. «Вольфрам сам по собі надзвичайно міцний і твердий. Ми додаємо інші легуючі елементи, щоб зробити це так, щоб ми могли об’єднати його в цей об’ємний об’єкт», – каже Кордеро.

Вольфрамовий сплав із хромом і залізом (W-7Cr-9Fe) був значно міцнішим за комерційні вольфрамові сплави, повідомив Кордеро в статті зі старшим автором і головою відділу матеріалознавства та інженерії Крістофером А. Шухом і колегами в журналі Metallurgical and Materials. Транзакції A. Поліпшення було досягнуто шляхом ущільнення металевих порошків у гарячому пресі для гарячого спікання з польовим використанням, з найкращим результатом, виміряним дрібнозернистою структурою та найвищою твердістю, досягнутим за час обробки 1 хвилина при 1200 градусах Цельсія. Довший час обробки та вищі температури призвели до більш грубого зерна та погіршення механічних характеристик. Співавторами були аспірант інженерії та матеріалознавства Массачусетського технологічного інституту Мансу Парк, докторант Емілі Л. Хаскінс з Оук-Ріджа, доцент штату Бойсе Меган Фрі та аспірант Стівен Ліверс, а також інженер-механік і керівник групи Армійської дослідницької лабораторії Браян Е. Шустер. Також були проведені субмасштабні балістичні випробування сплаву вольфрам-хром-залізо.

«Якщо ви можете виготовити або наноструктурований, або аморфний об’ємний вольфрам (сплав), це дійсно має бути ідеальний балістичний матеріал», — говорить Кордеро. Кордеро, уродженець міста Бріджвотер, штат Нью-Джерсі, отримав стипендію Національної оборонної науки та техніки (NDSEG) у 2012 році через Управління наукових досліджень ВПС США. Його дослідження фінансує Агентство зі зменшення загрози оборони США.

Надтонкозерниста структура

«Я роблю свої матеріали за допомогою порошкової обробки, де спочатку ми робимо нанокристалічний порошок, а потім об’єднуємо його в об’ємний об’єкт. Але проблема полягає в тому, що консолідація вимагає впливу на матеріал вищих температур», — каже Кордеро. Нагрівання сплавів до високих температур може призвести до збільшення зерен або окремих кристалічних доменів усередині металу, що послаблює їх. Cordero зміг досягти ультрадрібної зернистої структури приблизно 130 нанометрів у компакті W-7Cr-9Fe, що підтверджено електронними мікрофотографіями. «Використовуючи цей спосіб обробки порошку, ми можемо виготовляти великі зразки діаметром до 2 сантиметрів, або ми можемо досягти більшого розміру з динамічною міцністю на стиск 4 ГПа (гігапаскалі). Той факт, що ми можемо виробляти ці матеріали за допомогою масштабованого процесу, можливо, ще більш вражає», — каже Кордеро.

«Те, що ми намагаємося робити як група, це робити об’ємні речі з тонкою наноструктурою. Причина, по якій ми цього хочемо, полягає в тому, що ці матеріали мають дуже цікаві властивості, які потенційно можуть бути використані в багатьох сферах застосування», — додає Кордеро.

У природі не зустрічається

Кордеро також досліджував міцність порошків металевих сплавів з нанорозмірними мікроструктурами в статті журналу Acta Materialia. Кордеро разом зі старшим автором Шу використовував як обчислювальне моделювання, так і лабораторні експерименти, щоб показати, що сплави металів, таких як вольфрам і хром, з однаковою початковою міцністю мають тенденцію до гомогенізації та виробництва міцнішого кінцевого продукту, тоді як комбінації металів із великою початковою невідповідністю міцності, наприклад оскільки вольфрам і цирконій мали тенденцію виробляти слабший сплав з більш ніж однією присутньою фазою.

«Процес високоенергетичного кульового помелу є одним із прикладів більшої групи процесів, у яких ви деформуєте матеріал, щоб привести його мікроструктуру в дивний нерівноважний стан. Насправді немає хорошої основи для прогнозування мікроструктури, яка виходить, тому багато разів це метод проб і помилок. Ми намагалися усунути емпіризм у розробці сплавів, які утворять метастабільний твердий розчин, який є одним із прикладів нерівноважної фази», — пояснює Кордеро.

«Ви створюєте ці нерівноважні фази, речі, які зазвичай не побачите в навколишньому світі, у природі, використовуючи ці дійсно екстремальні процеси деформації», — каже він. Процес високоенергетичного кульового помелу включає повторювані зсуви металевих порошків із зсувом, який спонукає легуючі елементи до змішування, одночасно конкуруючи, термічно активовані процеси відновлення дозволяють сплаву повернутися до свого рівноважного стану, який у багатьох випадках полягає в розділенні фаз. . «Тож існує конкуренція між цими двома процесами», — пояснює Кордеро. Його стаття запропонувала просту модель для передбачення хімічних речовин у певному сплаві, який утворить твердий розчин, і підтвердила її за допомогою експериментів. «Подрібнені порошки є одними з найтвердіших металів, які люди бачили», — каже Кордеро, зазначивши, що випробування показали, що сплав вольфрам-хром має твердість наноіндентування 21 ГПа. Це робить їх приблизно вдвічі більшими за твердість наноіндентування, ніж у нанокристалічних сплавів на основі заліза або крупнозернистого вольфраму.

Металургія вимагає гнучкості

У наддрібнозернистих пресах зі сплаву вольфраму, хрому та заліза, які він досліджував, сплави вбирали залізо в результаті стирання сталевих мелючих матеріалів і склянки під час високоенергетичного кульового помелу. «Але виявилося, що це також може бути гарною річчю, тому що, схоже, це прискорює ущільнення при низьких температурах, що зменшує час, який вам доведеться проводити при цих високих температурах, які можуть призвести до поганих змін у мікроструктурі», Кордеро пояснює. «Головне — бути гнучким і визнавати можливості в металургії».

Ущільнена гранула металевого сплаву знаходиться поруч із подрібненими металевими порошками вольфраму та хрому заліза в човні, який використовується для зважування металів. Сталеві кульки використовуються для деформації металів у високоенергетичному кульовому млині. Авторство: Denis Paiste/Центр обробки матеріалів
Кордеро закінчив Массачусетський технологічний інститут у 2010 році зі ступенем бакалавра фізики та рік працював у Національній лабораторії Лоуренса Берклі. Там його надихнув інженерний персонал, який навчався у попереднього покоління металургів, які виготовляли спеціальні тиглі для утримання плутонію для Манхеттенського проекту під час Другої світової війни. «Почувши, над чим вони працюють, я був дуже схвильований і захопився обробкою металів. Крім того, це дуже весело», — каже Кордеро. В інших піддисциплінах матеріалознавства він каже: «Ви не можете відкрити піч при 1000 C і побачити щось, що розжарюється до червоного. Ви не можете термічно обробляти речі». Він планує закінчити докторську дисертацію у 2015 році.

Хоча його нинішня робота зосереджена на застосуванні в конструкціях, вид порошкової обробки, який він виконує, також використовується для виготовлення магнітних матеріалів. «Багато інформації та знань можна застосувати до інших речей», — каже він. «Хоч це традиційна конструкційна металургія, ви можете застосувати цю стару шкільну металургію до матеріалів нової школи».