導讀：氧化物彌散強化 (ODS) 合金具有優異的抗蠕變性、良好的高溫微觀結構穩定性和良好的抗輻照性，是一類在高溫應用中很有前景的合金。然而，由于氧化物顆粒傾向于在金屬基體晶界處聚集令人困擾，它們對金屬基體力學性能的改善作用往往有限。該論文以ODS鎢基合金為研究對象，巧妙采用水熱法和冷凍干燥法相結合的原位化學工藝批量制備了具有鎢包覆氧化物核殼結構的復合納米粉末，經過低溫燒結和高能率鍛造后，高密度氧化物納米顆粒均勻分散在制備的合金中的鎢晶粒內，同時晶間氧化物顆粒完全消失。該合金在室溫下實現了強度和延展性的極大提高。

對于傳統的工程結構材料，在不犧牲其延展性的情況下提高其強度或同時提高其強度和延展性一直是其各種關鍵應用的關鍵目標。為了這個目的，許多策略已經采取，例如在材料的形成納米孿晶，從而獲得雙峰/多峰顆粒結構和引入納米顆粒內的彌散體或梯度結構。其中，納米分散體的引入因其普遍適用性而備受關注，并已在許多系統中取得成功. 一旦第二相納米彌散體被引入金屬基體，當它們面對這些彌散體時，大量位錯將被釘扎和積累在基體晶粒內部，從而提高應變硬化速率并確保高延展性。此外，這些彌散體還可以通過位錯和納米彌散體之間的相互作用（Orowan 循環或粒子剪切）大大加強基質。

近幾十年來，非原位和原位方法都已經開發了均勻引入期望第二相分散體為不同的金屬基體。通過原位方法引入的納米分散體或納米沉淀物主要通過熱機械處理或化學反應合成。因此，它們通常表現出良好的熱力學穩定性、精細的尺寸和在金屬基體中的均勻分布。因此，原位分散體強化工程材料具有良好的力學性能和優異的高溫使用能力。通過原位沉淀強化的典型合金包括 Cu 合金、鋁合金、不銹鋼等。

以 Al-Sc 二元合金為例，Zr、Er 元素的加入一般可以促進抗粗化共格 L12-Al3(Sc, Zr, Er ) 納米沉淀。因此，它們的超細尺寸 (3–8 nm) 導致強度從 243 MPa 顯著提高到 451 MPa. 更重要的是，納米沉淀物與基體之間的共格界面關系不會破壞材料的延展性，同時提高其強度。因此，超細、連貫的納米彌散體成為眾多合金材料的新寵。

但是，對于一些合金體系，其第二相彌散體很難通過原位法引入，一般必須采用非原位法。通過粉末冶金和各種鑄造技術，納米陶瓷或金屬間化合物顆粒，如氧化物和碳化物，被引入到金屬基體，產生有吸引力的物理和機械性能的許多材料。然而，由于與基體的物理化學性質截然不同，這些異位納米陶瓷或金屬間化合物顆粒傾向于在金屬基體的晶界處聚集和聚結，并與基體形成半相干或非相干界面，與上面提到的原位相干超細納米沉淀物相比，這在很大程度上削弱了它們的強化效果。此外，由于變形不相容性，這些異位第二相顆粒與基體之間的半相干或非相干界面很容易引起嚴重的應力集中，導致裂紋形成，進而導致材料延展性降低。因此，對于非原位第二相顆粒強化合金體系，如何通過與上述原位方法相同的方法引入這些顆粒，即與基體完全晶格相干，超細尺寸，完全在晶內分布，已成為進一步開發高性能第二相顆粒強化合金的關鍵。

在這項工作中，天津大學金屬結構材料研究團隊劉永長教授等人成功地將陶瓷氧化物納米粒子均勻地分散在金屬基體晶粒內，同時晶間氧化物粒子完全消失，最終制備了高性能的氧化物彌散強化合金。高密度氧化物納米粒子被引入到 W 晶粒內部。這些尺寸僅為 1-3 nm 的顆粒內氧化物納米粒子與周圍的 W 基質呈現出完全的晶格相干性。這種合金經過高能率鍛造（HERF）處理后，強度和延展性都有很大的提高。相關研究成果在Nature Communications上發表題為“Achieving high strength and ductility in ODS-W alloy by employing oxide@W core-shell nanopowder as precursor”的研究論文。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-021-25283-2

與傳統的純W或WY 2 O 3合金不同，該ODS合金即使在室溫下也表現出明顯的韌性斷裂，均勻伸長率為1.05±0.13%，總伸長率為2.50±0.21%。該結果表明，所開發合金打破了傳統 W 基合金在低溫下的脆性特征。雖然由于晶粒細化，它在高溫下具有更高的強度，但傳統 WY 合金的無損檢測在 200°C 到 400°C 之間，表明其在低溫下具有脆性特征。這種該ODS合金在室溫下的最大屈服強度和極限拉伸強度 (UTS) 分別為 1210±15 MPa 和 1390±18 MPa。與傳統的第二相彌散強化 W 基合金的文獻數據相比（見圖 1c)，可以發現這種 cWY 合金具有顯著的強化效果，同時延展性增強。

圖 1：采用氧化物包覆鎢核殼結構復合粉末燒結制備的ODS鎢基合金的機械性能。

圖 2：顆粒內氧化物納米粒子的 TEM 和 HAADF STEM 圖像。

圖 3：W 晶粒的電子背散射衍射 (EBSD) 表征。

圖 4：氧化物@W 核殼結構復合粉末的 XRD、TEM 和 HAADF STEM 圖像。

總之，通過燒結一種獨特的氧化物@W核殼結構復合納米粉末，我們成功制備了高性能的氧化物彌散強化鎢基合金。我們創新的低溫水熱法和隨后的冷凍干燥法能夠形成氧化物@W 核殼納米粉末。經過低溫燒結和 HERF 處理后，與周圍基體具有相干界面的高密度氧化物第二相納米粒子 (1-3 nm) 均勻分散在 W 顆粒內部。此外，細化的等軸亞晶粒也被引入到 W 基體中。因此，這種分層微觀結構打破了傳統 W 基 ODS 合金或純 W 在室溫下的脆性特征，并使制備的合金具有高強度和良好延展性的結合。

【通訊作者簡介】

馬宗青：天津大學材料學院教授，國家優秀青年基金獲得者。2011年畢業于天津大學，獲材料學博士學位，并于同年進入天津大學材料學院工作。主要圍繞高溫合金和難熔金屬等材料體系開展粉體的制備、燒結和3D打印成形研究。先后獲天津市優秀博士學位論文獎、澳大利亞Discovery Early Career Researcher Award和中國材料研究學會科學技術二等獎（第2完成人）。至今以第一或通訊作者發表SCI論文80余篇，其中ESI熱點論文1篇，ESI高被引論文5篇，H因子25。

劉永長：天津大學材料學院教授，國家杰出青年科學基金獲得者、國家萬人計劃中青年科技創新領軍人才。1990年進入西北工業大學學習并于2000年獲材料加工工程專業博士學位；2000年至2003年為德國馬普金屬研究所博士后；2003年在天津大學破格晉升教授；研究領域為金屬成形與加工。先后獲全國優秀博士學位論文獎、霍英東高校青年教師一等獎、中國冶金青年科技獎、天津市科技進步一等獎各1項；至今發表SCI論文350余篇， H因子38。

【課題組介紹】

天津大學金屬結構材料研究團隊由劉永長教授擔任團隊負責人，現有國家萬人計劃入選者1人、國家杰出青年基金獲得者1人、國家優秀青年基金獲得者2人、國家青年特聘專家2人，入選天津市“131創新人才團隊”。團隊研究方向包括金屬材料成形及加工、粉末冶金等，團隊近十年累計承擔包括國家973計劃、國家863計劃、國家重點研發計劃、科技部ITER專項、國家自然科學基金等在內的國家、省部級課題20余項。