固體所在高強(qiáng)韌鎢材料的微結(jié)構(gòu)調(diào)控和研究方面取得新進(jìn)展

發(fā)布日期：2022-02-25 瀏覽次數(shù)：991

近期，中科院合肥研究院固體所內(nèi)耗與固體缺陷研究部與西安交通大學(xué)合作在高性能鎢材料研究方面取得新進(jìn)展，通過多尺度微結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，在純鎢塊材中實(shí)現(xiàn)室溫韌性和高強(qiáng)度。相關(guān)成果以“Hierarchical microstructures enabled excellent low-temperature strength-ductility synergy in bulk pure tungsten” 為題，發(fā)表在金屬材料頂級(jí)期刊Acta Materialia (Acta Mater., 2022, DOI: 10.1016/j.actamat.2022.117765) 上。

聚變堆材料問題，特別是面向等離子體材料（PFM）問題，是制約聚變能發(fā)展的瓶頸之一。鎢（W）具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，成為PFMs最佳的候選材料。然而，純鎢存在低溫脆性、高溫再結(jié)晶脆性和輻照脆性等缺點(diǎn)，因此亟待發(fā)展兼具低溫韌性和高強(qiáng)度的鎢材料。國內(nèi)外研究人員通過彌散強(qiáng)化、軋制、拉拔等物理和化學(xué)手段提高鎢材料的低溫韌性和強(qiáng)度，制備出了具有室溫塑性的鎢薄片、鎢絲和第二相彌散強(qiáng)化鎢合金。但是，在大塊純鎢中同時(shí)實(shí)現(xiàn)室溫拉伸塑性和高強(qiáng)度仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，這主要是由于經(jīng)過常規(guī)的高溫?zé)Y(jié)和后續(xù)熱形變，鎢晶粒易粗化，難以細(xì)化到微米或亞微米級(jí)。

鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)在前期高性能W-ZrC塊體合金的基礎(chǔ)上，受其微結(jié)構(gòu)特征的啟發(fā)，提出了多尺度微結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，成功制備出兼具室溫拉伸塑性和高強(qiáng)度的純鎢塊材（圖1）。首先，通過對活化的W粉進(jìn)行快速兩步低溫?zé)Y(jié)，得到的燒結(jié)鎢板坯平均晶粒尺寸為8.9 μm，遠(yuǎn)小于商業(yè)粗晶鎢（~39 μm）。再通過高能率鍛造的溫加工動(dòng)態(tài)回復(fù)，最終在鍛造鎢塊材中實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的多尺度微結(jié)構(gòu)：層狀結(jié)構(gòu)母晶，母晶中含超細(xì)亞晶（~1 μm），亞晶中含高比例可動(dòng)性位錯(cuò)。鍛造鎢塊材在室溫下展現(xiàn)出拉伸塑性且抗拉強(qiáng)度高達(dá)1354 MPa；在100 ℃時(shí)，延伸率達(dá)4.2%，抗拉強(qiáng)度維持在1300 MPa（圖2）。除了優(yōu)異的低溫性能外，高能率鍛造純鎢在600 ℃下的延伸率和強(qiáng)度分別為10.2%和843 MPa，與已報(bào)道的塊體鎢材料相比，仍具有明顯優(yōu)勢。

層狀母晶、超細(xì)亞晶與高比例的刃型和復(fù)合位錯(cuò)協(xié)同作用是純鎢實(shí)現(xiàn)室溫塑性和高強(qiáng)度的主要原因。層狀結(jié)構(gòu)母晶可以鈍化裂紋尖端實(shí)現(xiàn)增韌效果；相比于大角度晶界，母晶中高比例的亞晶界更有利于位錯(cuò)穿過，從而緩釋晶間應(yīng)力，防止沿晶開裂。更為重要的是，超細(xì)亞晶中預(yù)制的位錯(cuò)包含58%刃位錯(cuò)和復(fù)合位錯(cuò)（圖3，黑色箭頭指示），而體心立方金屬中刃位錯(cuò)和復(fù)合位錯(cuò)相比于單純的螺位錯(cuò)在低溫下具有更好的可動(dòng)性。這些高移動(dòng)性的位錯(cuò)不僅起到強(qiáng)化作用，低溫下還能夠鈍化裂紋尖端。該研究展示了一種在不添加合金和第二相顆粒情況下實(shí)現(xiàn)鎢塊材低溫塑性和高強(qiáng)度協(xié)同提升的有效策略，也為制備其他高性能難熔金屬及合金提供了研究思路。

解雪峰博士為該論文的第一作者，謝卓明副研究員和吳學(xué)邦研究員為該論文的共同通訊作者。

上述研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和安徽省自然科學(xué)基金的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117765。