近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所與西安交通大學(xué)合作在高性能鎢材料研究方面取得進(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)成果發(fā)表在Acta Materialia上。

上述研究工作得到國家重點(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。　　　  

論文鏈接 https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1359645422001525

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，在大塊純鎢中同時實(shí)現(xiàn)室溫拉伸塑性和高強(qiáng)度仍是巨大的挑戰(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。

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）。研究人員通過對活化的鎢粉進(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）；通過高能率鍛造的溫加工動態(tài)回復(fù)，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性位錯。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，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，與已報道的塊體鎢材料相比，仍具有明顯優(yōu)勢。

圖1 多尺度微結(jié)構(gòu)調(diào)控示意圖及樣品 

圖2 燒結(jié)態(tài)純鎢和高能率鍛造純鎢在不同溫度下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及不同類型鎢材料的力學(xué)性能比較　　

層狀母晶、超細(xì)亞晶與高比例的刃型和復(fù)合位錯協(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)制的位錯包含58%刃位錯和復(fù)合位錯（圖3，黑色箭頭指示），而體心立方金屬中刃位錯和復(fù)合位錯相比于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(qiáng)化作用，低溫下還能鈍化裂紋尖端。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。

圖3 不同g矢量條件下位錯特征（刃位錯：位錯線垂直于Burgers矢量；螺位錯：位錯線平行于Burgers矢量；復(fù)合位錯：位錯線與Burgers矢量間夾角在 0°到 90°之間）