西安交大《Acta Materialia》：發現低錸合金化難以降低鎢的韌脆轉變溫度！
2023-12-26 14:18:46
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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人造太陽-核聚變能是人類未來能源的終極解決方案。鎢（W）因其具有高熔點、高溫強度、高導熱率、低氫（H/D/T）滯留率和抗輻照損傷等優異的性能，被譽為面向等離子體第一壁的最佳候選材料。然而，過渡金屬鎢的低溫韌性差、韌脆轉變溫度高，極大地限制了鎢的加工和應用。如何克服鎢的低溫脆性成為以鎢為代表的難熔金屬研究領域的關鍵科學難題之一。為此，各國研究者在鎢的低溫增韌方面開展了一系列的研究工作。長期以來，大量的模擬計算結果表明，錸（Re）合金化可以改變螺位錯的三維核心結構，從而促進螺位錯雙扭折形核，提高螺位錯的滑移能力，最終可改善W的變形能力，實現W的低溫韌化。因此，Re被認為是提高W變形能力并降低其韌脆轉變溫度的最佳合金元素。在大量的實驗研究中，報道的“Re效應”通常與機械加工（高溫軋制等）引入的初始位錯、層片結構、晶粒細化等因素混淆在一起，難以澄清單一因素（Re合金化）對W變形能力的影響。因此，Re合金化能否實現低溫增韌、降低W的韌脆轉變溫度，一直缺乏系統的研究和關鍵的實驗證據。近日，西安交通大學材料學院韓衛忠教授團隊通過沖桿試驗（Zhang YH, et al. Acta Materialia 220 (2021) 117332），對再結晶態的W-Re合金進行了系統研究，揭示了其韌脆轉變的關鍵缺陷機制，并闡明了低含量（≤10 wt.%）的Re合金化并不能有效降低W的韌脆轉變溫度。研究人員發現Re合金化引起的有限韌化僅發生在很窄的低溫區間（50 °C~200 °C）。高溫（≥300 °C）變形時，W-Re合金的塑性變形能力明顯降低，最終導致合金高溫韌性下降、韌脆轉變溫度升高。而且Re含量越高，W-Re合金的韌脆轉變溫度越高（如圖1所示）。通過表面變形形貌的表征發現，相比于純W的沿晶開裂，Re合金化促進了更多的位錯行為，從而增加了W-Re合金的低溫韌性，但這一改善非常有限。此外，當變形溫度升高到300 °C時，W-Re合金中還出現了大量的位錯交滑移現象。隨著Re含量的增加，交滑移程度越來越劇烈（如圖2所示）。有趣的是，雖然W-Re合金在高溫下發生了大量的位錯交滑移，但其變形能力和韌性反而變差了。通過進一步的缺陷表征發現，隨著溫度升高，位錯增殖能力的突然增加使得純W發生了脆韌轉變（Lu Y, et al. PNAS 118 (2021) e2110596118, Zhang YH, et al. JMST 141 (2023) 193–198）。然而，合金化后，Re元素在高溫下促進了螺位錯的局部交滑移，從而產生了橫跨多個滑移面（三維結構）的超割階和位錯環。這些缺陷結構的密度和分布不僅和Re元素的含量相關，而且還表現出明顯的溫度依賴性：Re含量和變形溫度越高，缺陷的密度越高（如圖3所示）。高密度的三維不可動缺陷（超割階和位錯環）強烈地阻礙了位錯的運動，最終導致W-Re合金高溫變形能力下降、韌脆轉變溫度升高。圖3：空間型的割階和位錯環導致了W-Re合金的高溫硬化相關工作以“Unveiling the Intrinsic Rhenium Effect in Tungsten”為題發表在Acta Materialia 264 (2024) 119586。西安交通大學材料學院博士生張雨衡為論文第一作者，韓衛忠教授為論文通訊作者，合作者包括馬恩教授和孫軍院士。該工作得到了國家自然科學基金委員會優青項目和面上項目的共同資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119586
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