固體所在高強韌鎢材料的微結構調控和研究方麵取得新進展

  近期 ，中科院合肥研究院固體所內耗與固體缺陷研究部與西安交通大學合作在高性能鎢材料研究方麵取得新進展 ，通過多尺度微結構調控策略 ，在純鎢塊材中實現室溫韌性和高強度 。相關成果以“Hierarchical microstructures enabled excellent low-temperature strength-ductility synergy in bulk pure tungsten” 為題 ，發表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia (Acta Mater., 2022, DOI: 10.1016/j.actamat.2022.117765) 上 。

  聚變堆材料問題 ，特別是麵向等離子體材料（PFM）問題 ，是製約聚變能發展的瓶頸之一 。鎢（W）具有高熔點 、高熱導率等優點 ，成為PFMs最佳的候選材料 。然而 ，純鎢存在低溫脆性 、高溫再結晶脆性和輻照脆性等缺點 ，因此亟待發展兼具低溫韌性和高強度的鎢材料 。國內外研究人員通過彌散強化 、軋製 、拉拔等物理和化學手段提高鎢材料的低溫韌性和強度 ，製備出了具有室溫塑性的鎢薄片 、鎢絲和第二相彌散強化鎢合金 。但是，在大塊純鎢中同時實現室溫拉伸塑性和高強度仍是一個巨大挑戰 ，這主要是由於經過常規的高溫燒結和後續熱形變 ，鎢晶粒易粗化 ，難以細化到微米或亞微米級 。

  鑒於此 ，研究團隊在前期高性能W-ZrC塊體合金的基礎上 ，受其微結構特征的啟發 ，提出了多尺度微結構調控策略 ，成功製備出兼具室溫拉伸塑性和高強度的純鎢塊材（圖1） 。首先 ，通過對活化的W粉進行快速兩步低溫燒結 ，得到的燒結鎢板坯平均晶粒尺寸為8.9 μm ，遠小於商業粗晶鎢（~39 μm） 。再通過高能率鍛造的溫加工動態回複 ，最終在鍛造鎢塊材中實現了獨特的多尺度微結構 ：層狀結構母晶 ，母晶中含超細亞晶（~1 μm） ，亞晶中含高比例可動性位錯 。鍛造鎢塊材在室溫下展現出拉伸塑性且抗拉強度高達1354 MPa ；在100 ℃時 ，延伸率達4.2% ，抗拉強度維持在1300 MPa（圖2） 。除了優異的低溫性能外 ，高能率鍛造純鎢在600 ℃下的延伸率和強度分別為10.2%和843 MPa ，與已報道的塊體鎢材料相比 ，仍具有明顯優勢 。

  層狀母晶 、超細亞晶與高比例的刃型和複合位錯協同作用是純鎢實現室溫塑性和高強度的主要原因 。層狀結構母晶可以鈍化裂紋尖端實現增韌效果 ；相比於大角度晶界 ，母晶中高比例的亞晶界更有利於位錯穿過 ，從而緩釋晶間應力 ，防止沿晶開裂 。更為重要的是 ，超細亞晶中預製的位錯包含58%刃位錯和複合位錯（圖3 ，黑色箭頭指示） ，而體心立方金屬中刃位錯和複合位錯相比於單純的螺位錯在低溫下具有更好的可動性 。這些高移動性的位錯不僅起到強化作用 ，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現鎢塊材低溫塑性和高強度協同提升的有效策略 ，也為製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研發計劃 、國家自然科學基金和安徽省自然科學基金的資助 。

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圖1. 多尺度微結構調控示意圖及樣品圖片

圖2. 燒結態純鎢和高能率鍛造純鎢在不同溫度下的工程應力-應變曲線以及不同類型鎢材料的力學性能比較 。

圖3. 不同g矢量條件下位錯特征（刃位錯 ：位錯線垂直於Burgers矢量 ；螺位錯 ：位錯線平行於Burgers矢量 ；複合位錯 ：位錯線與Burgers矢量間夾角在 0° 到 90° 之間） 。