Các hợp kim vonfram mới đang được phát triển trong Tập đoàn Schuh tại MIT có khả năng thay thế uranium cạn kiệt trong các loại đạn xuyên giáp. Sinh viên tốt nghiệp ngành khoa học và kỹ thuật vật liệu năm thứ tư Zachary C. Cordero đang nghiên cứu vật liệu có độ độc tính thấp, độ bền cao, mật độ cao để thay thế uranium cạn kiệt trong các ứng dụng quân sự kết cấu. Uranium cạn kiệt gây nguy hiểm tiềm tàng cho sức khỏe của binh lính và dân thường. “Đó là động lực để cố gắng thay thế nó,” Cordero nói.

Vonfram bình thường sẽ mọc lên hoặc cùn đi khi va chạm, hiệu suất tồi tệ nhất có thể xảy ra. Vì vậy, thách thức là phát triển một hợp kim có thể phù hợp với hiệu suất của uranium nghèo, hợp kim này có khả năng tự mài sắc khi cắt đứt vật liệu và duy trì mũi nhọn ở bề mặt tiếp xúc giữa vật xuyên thấu và mục tiêu. “Bản thân vonfram đã đặc biệt bền và cứng. Chúng tôi đưa vào các nguyên tố hợp kim khác để tạo ra nó nhằm có thể hợp nhất nó thành vật thể khối này,” Cordero nói.

Hợp kim vonfram với crom và sắt (W-7Cr-9Fe) mạnh hơn đáng kể so với hợp kim vonfram thương mại, Cordero đã báo cáo trong một bài báo với tác giả cấp cao và người đứng đầu Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Christopher A. Schuh và các đồng nghiệp trên tạp chí Luyện kim và Vật liệu. Giao dịch A. Sự cải tiến đạt được bằng cách nén bột kim loại trong máy ép nóng thiêu kết được hỗ trợ tại hiện trường, với kết quả tốt nhất, được đo bằng cấu trúc hạt mịn và độ cứng cao nhất, đạt được ở thời gian xử lý 1 phút ở 1.200 độ độ C. Thời gian xử lý dài hơn và nhiệt độ cao hơn dẫn đến hạt thô hơn và hiệu suất cơ học yếu hơn. Các đồng tác giả bao gồm sinh viên tốt nghiệp khoa học vật liệu và kỹ thuật MIT Mansoo Park, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Emily L. Huskins ở Oak Ridge, Phó giáo sư Megan Frary của bang Boise và nghiên cứu sinh Steven Livers, kỹ sư cơ khí và trưởng nhóm Brian E. Schuster của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội. Các thử nghiệm đạn đạo quy mô nhỏ của hợp kim vonfram-crom-sắt cũng đã được thực hiện.

Cordero nói: “Nếu bạn có thể tạo ra (hợp kim) khối vonfram có cấu trúc nano hoặc vô định hình, thì nó thực sự phải là một vật liệu đạn đạo lý tưởng”. Cordero, người gốc Bridgewater, NJ, đã nhận được Học bổng Khoa học và Kỹ thuật Quốc phòng (NDSEG) vào năm 2012 thông qua Văn phòng Nghiên cứu Khoa học của Lực lượng Không quân. Nghiên cứu của ông được Cơ quan Giảm thiểu Đe dọa Quốc phòng Hoa Kỳ tài trợ.

Cấu trúc hạt siêu mịn

“Cách tôi tạo ra vật liệu của mình là xử lý bột, trong đó đầu tiên chúng tôi tạo ra bột tinh thể nano và sau đó chúng tôi hợp nhất nó thành một vật thể khối. Nhưng thách thức là việc cố kết đòi hỏi phải để vật liệu tiếp xúc với nhiệt độ cao hơn,” Cordero nói. Làm nóng hợp kim ở nhiệt độ cao có thể làm cho các hạt hoặc các miền tinh thể riêng lẻ bên trong kim loại phóng to, làm chúng yếu đi. Cordero đã có thể đạt được cấu trúc hạt siêu mịn khoảng 130 nanomet trong máy nén W-7Cr-9Fe, được xác nhận bằng ảnh vi mô điện tử. “Bằng cách sử dụng quy trình xử lý bột này, chúng tôi có thể tạo ra các mẫu lớn có đường kính lên tới 2 cm hoặc có thể lớn hơn với cường độ nén động là 4 GPa (gigapascal). Việc chúng tôi có thể tạo ra những vật liệu này bằng quy trình có thể mở rộng có thể còn ấn tượng hơn nữa”, Cordero nói.

“Những gì chúng tôi đang cố gắng làm với tư cách là một nhóm là tạo ra những thứ có kích thước lớn với cấu trúc nano mịn. Lý do chúng tôi muốn làm điều đó là vì những vật liệu này có những đặc tính rất thú vị có tiềm năng sử dụng trong nhiều ứng dụng,” Cordero cho biết thêm.

Không tìm thấy trong tự nhiên

Cordero cũng đã kiểm tra độ bền của bột hợp kim kim loại với các cấu trúc vi mô cỡ nano trên tạp chí Acta Materialia. Cordero, cùng với tác giả cấp cao Schuh, đã sử dụng cả mô phỏng tính toán và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để chỉ ra rằng hợp kim của các kim loại như vonfram và crom có ​​cường độ ban đầu tương tự nhau có xu hướng đồng nhất và tạo ra sản phẩm cuối cùng mạnh hơn, trong khi sự kết hợp của các kim loại có cường độ ban đầu lớn không phù hợp như vậy. vì vonfram và zirconi có xu hướng tạo ra một hợp kim yếu hơn với nhiều hơn một pha.

“Quy trình nghiền bi năng lượng cao là một ví dụ về một nhóm quy trình lớn hơn, trong đó bạn làm biến dạng vật liệu để đưa cấu trúc vi mô của nó vào trạng thái không cân bằng kỳ lạ. Thực sự không có một khuôn khổ tốt để dự đoán cấu trúc vi mô xuất hiện, vì vậy rất nhiều khi đây là thử nghiệm và sai sót. Chúng tôi đang cố gắng loại bỏ chủ nghĩa kinh nghiệm khỏi việc thiết kế các hợp kim sẽ tạo thành dung dịch rắn siêu bền, đây là một ví dụ về pha không cân bằng,” Cordero giải thích.

Ông nói: “Bạn tạo ra những pha không cân bằng này, những thứ mà bạn thường không nhìn thấy ở thế giới xung quanh mình trong tự nhiên, bằng cách sử dụng những quá trình biến dạng cực kỳ khắc nghiệt này”. Quá trình nghiền bi năng lượng cao bao gồm việc cắt lặp đi lặp lại các bột kim loại với lực cắt khiến các nguyên tố hợp kim trộn lẫn với nhau trong khi cạnh tranh, các quá trình phục hồi được kích hoạt bằng nhiệt cho phép hợp kim trở lại trạng thái cân bằng, trong nhiều trường hợp là tách pha . “Vì vậy có sự cạnh tranh giữa hai quá trình này,” Cordero giải thích. Bài báo của ông đề xuất một mô hình đơn giản để dự đoán các thành phần hóa học trong một hợp kim nhất định sẽ tạo thành dung dịch rắn và xác nhận nó bằng các thí nghiệm. Cordero cho biết: “Bột được nghiền là một trong những kim loại cứng nhất mà mọi người từng thấy”, đồng thời lưu ý rằng các thử nghiệm cho thấy hợp kim vonfram-crom có ​​độ cứng vết lõm nano là 21 GPa. Điều đó làm cho chúng có độ cứng vết lõm gấp đôi so với hợp kim gốc sắt tinh thể nano hoặc vonfram hạt thô.

Luyện kim đòi hỏi sự linh hoạt

Trong các hợp kim vonfram-crom-sắt hạt siêu mịn mà ông đã nghiên cứu, các hợp kim đã thu được sắt từ sự mài mòn của vật liệu nghiền thép và lọ trong quá trình nghiền bi năng lượng cao. “Nhưng hóa ra đó cũng có thể là một điều tốt, vì có vẻ như nó làm tăng tốc độ cô đặc ở nhiệt độ thấp, giúp giảm lượng thời gian bạn phải sử dụng ở nhiệt độ cao vốn có thể dẫn đến những thay đổi xấu trong cấu trúc vi mô,” Cordero giải thích. “Điều quan trọng là phải linh hoạt và nhận ra các cơ hội trong ngành luyện kim.”

Một viên hợp kim kim loại được nén chặt nằm cạnh bột kim loại sắt vonfram-crom đã được xay trong một chiếc thuyền dùng để cân kim loại. Những quả bóng thép được sử dụng để làm biến dạng kim loại trong máy nghiền bi năng lượng cao. Nguồn: Denis Paiste/Trung tâm xử lý vật liệu
Cordero tốt nghiệp MIT năm 2010 với bằng cử nhân vật lý và làm việc một năm tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley. Ở đó, anh được truyền cảm hứng từ các nhân viên kỹ thuật, những người đã học được từ thế hệ các nhà luyện kim trước đó, cách chế tạo các nồi nấu kim loại đặc biệt để chứa plutonium cho Dự án Manhattan trong Thế chiến thứ hai. “Nghe thấy những thứ họ đang làm khiến tôi rất hào hứng và thích thú với việc gia công kim loại. Nó cũng rất thú vị,” Cordero nói. Trong các chuyên ngành khoa học vật liệu khác, ông nói, “Bạn không thể mở một lò nung ở nhiệt độ 1.000 C và nhìn thấy thứ gì đó nóng đỏ. Bạn không được xử lý nhiệt.” Anh dự kiến ​​sẽ hoàn thành bằng tiến sĩ vào năm 2015.

Mặc dù công việc hiện tại của ông tập trung vào các ứng dụng về cấu trúc, loại xử lý bột mà ông đang thực hiện cũng được sử dụng để chế tạo vật liệu từ tính. Ông nói: “Rất nhiều thông tin và kiến ​​thức có thể được áp dụng vào những việc khác. “Mặc dù đây là phương pháp luyện kim kết cấu truyền thống, nhưng bạn có thể áp dụng phương pháp luyện kim kiểu cũ này cho các vật liệu kiểu mới.”