導(dǎo)讀：眾所周知，難熔鎢(W)在室溫下很脆，這限制了它的加工性并縮小了關(guān)鍵應(yīng)用的溫度范圍。本文提出一種多尺度微觀結(jié)構(gòu)調(diào)制策略，以實(shí)現(xiàn)大塊純W的低溫延展性和高強(qiáng)度的完美結(jié)合。通過(guò)活化W粉末的快速兩步低溫?zé)Y(jié)和高能率鍛造處理，在純W中構(gòu)建了獨(dú)特的分層微觀結(jié)構(gòu)，包括層狀細(xì)長(zhǎng)基體晶粒，內(nèi)部具有大量細(xì)小亞晶粒，以及高密度的滑移邊緣和混合位錯(cuò)。在室溫下，分層結(jié)構(gòu)塊體W表現(xiàn)出可檢測(cè)的拉伸延展性和1.35GPa的極限拉伸強(qiáng)度(UTS)。高溫下仍可保持高強(qiáng)度，即200℃時(shí)UTS>1.0GPa；在此溫度下，它還具有15.3%的顯著拉伸延展性。

鎢(W)作為具有代表性的體心立方(BCC)難熔金屬，具有高熔點(diǎn)、高高溫強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性和其他特性，非常適合于聚變反應(yīng)堆中的動(dòng)能穿透器和等離子體材料等許多應(yīng)用。然而，W具有固有的脆性，容易因晶粒粗化和中子輻照而發(fā)生操作脆化，這顯著限制了其可加工性并縮小了應(yīng)用溫度范圍。

W的固有脆性和較差的延展性被認(rèn)為源于其具有非常高的Peierls應(yīng)力的BCC晶體結(jié)構(gòu)，以及晶界（GBs）的較差內(nèi)聚性。因此，一種提高塑性的實(shí)用方法是通過(guò)改變位錯(cuò)核結(jié)構(gòu)，與稀土合金化，從而提高GB內(nèi)聚力，并提高1/2<111>螺旋位錯(cuò)的遷移率。軋制W-1.9Re和鍛造W-25Re分別在25℃和室溫（RT）下表現(xiàn)出延展性，含26wt%稀土的W的脆塑轉(zhuǎn)變（BDT）溫度低至101℃。然而，稀土的稀有性和高成本阻礙了該工程策略的廣泛應(yīng)用。除稀土外，其他合金元素如銥（Ir）、鈦（Ti）和鉿（Hf）也有助于提高鎢材料的延展性。

晶粒細(xì)化被認(rèn)為是降低BDT溫度和提高高強(qiáng)度材料塑性的關(guān)鍵技術(shù)。在W中添加氧化物或碳化物，如ZrC、TiC、Y2O3和La2O3，是通過(guò)有效地釘住GBs的移動(dòng)來(lái)細(xì)化和穩(wěn)定W晶粒的有效方法。因此，為了這種高性能金屬的可持續(xù)性，開(kāi)發(fā)W結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)低溫延展性和高強(qiáng)度的優(yōu)異結(jié)合，同時(shí)降低成分復(fù)雜性是非常可取的。

近年來(lái)，人們提出了“材料平面化”的概念，它提供了一種新的策略，通過(guò)在不同長(zhǎng)度尺度上控制穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)提高金屬的機(jī)械性能，同時(shí)減少或不進(jìn)行合金化。變形技術(shù)在金屬和合金中引起的晶粒細(xì)化是眾所周知的反應(yīng)。對(duì)于純鎢，采用了各種嚴(yán)重塑性變形（SPD）技術(shù)，包括拉伸、擠壓、等通道角擠壓（ECAP）和高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）來(lái)提高其低溫性能。例如，冷軋0.1mm厚的W箔和摻K的W箔在環(huán)境溫度下具有延展性，在室溫下的UTS分別為~2GPa和~3GPa。與初生粗晶鎢相比，ECAP生產(chǎn)的超細(xì)晶鎢在強(qiáng)度和延展性方面都有明顯改善。此外，拉制的鎢絲的BDT溫度為RT，UTS高達(dá)2.1GPa。微觀結(jié)構(gòu)研究表明，拉拔鎢絲中的“纖維”尺寸被細(xì)化至約1μm，冷軋鎢絲和摻鉀鎢絲中沿軋制方向的晶粒尺寸甚至被細(xì)化至小于0.5μm，這對(duì)提高低溫塑性和強(qiáng)度至關(guān)重要。此外，變形過(guò)程中引入的薄片和纖維結(jié)構(gòu)等非均勻結(jié)構(gòu)被認(rèn)為有利于低溫塑性和高強(qiáng)度的結(jié)合。然而，W箔或W線的尺寸不合適限制了其作為散裝組件的應(yīng)用。這些W產(chǎn)品均在低于W再結(jié)晶溫度的溫度下進(jìn)行SPD處理，導(dǎo)致絕大多數(shù)高角度晶界（HAGBs）在緩解應(yīng)變不相容性和裂紋敏感性方面較弱。

在此，中科院固體物理研究所材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的X.F. Xie團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)的兩步法燒結(jié)活化的W粉末，制備了具有細(xì)晶粒的燒結(jié)態(tài)W錠，并通過(guò)隨后的HERF工藝溫加工，生產(chǎn)了具有良好組合的塊狀HERF-W低溫延展性和超高強(qiáng)度。采用HERF技術(shù)是因?yàn)樗男纬伤俣瓤觳⑶夷軌颢@得所需的微結(jié)構(gòu)。此外，在HERF工藝的每個(gè)步驟中，變形溫度、數(shù)量和速率都可以靈活控制。通過(guò)控制具有精細(xì)亞晶粒結(jié)構(gòu)、LAGBs、位錯(cuò)密度和類(lèi)型的層狀母晶來(lái)強(qiáng)調(diào)微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)。本工作提出的這種多尺度微觀結(jié)構(gòu)調(diào)制策略可為其他高性能難熔金屬及合金的制備提供參考。相關(guān)研究成果以題“Hierarchical microstructures enabled excellent low-temperature strength-ductility synergy in bulk pure tungsten”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422001525

實(shí)現(xiàn)了塊狀HERF-W的拉伸強(qiáng)度和延展性的顯著提高。在室溫下，觀察到可檢測(cè)的拉伸延展性和極限拉伸強(qiáng)度(UTS)為1.35GPa。在200℃時(shí)，HERF-W的UTS仍高于1.0GPa，并且具有顯著的拉伸延展性，總伸長(zhǎng)率(TE)為15.3%，遠(yuǎn)高于之前報(bào)道的塊狀純W甚至具有第二相分散顆粒的W合金。這些結(jié)果表明HERF-W在低溫下具有顯著的延展性和強(qiáng)度相容性。此外，在600°C的高溫下，HERF-W還表現(xiàn)出強(qiáng)度（UTS843±21MPa）和延展性（TE10.2±2%）的良好組合。這些性能明顯優(yōu)于在散裝純W和具有第二相顆粒的W合金中報(bào)道的性能。低角度晶界和高移動(dòng)位錯(cuò)的屏蔽和鈍化效應(yīng)以及層狀結(jié)構(gòu)獲得分層增韌效應(yīng)是提高低溫塑性和強(qiáng)度的主要機(jī)制。本研究展示了一種在不涉及任何合金元素的情況下在塊體W中實(shí)現(xiàn)有吸引力的低溫強(qiáng)度-延展性協(xié)同作用的實(shí)用途徑，并且是一種設(shè)計(jì)高性能難熔金屬和合金的可行且低成本的途徑。

圖1 顯示HERF工藝的示意圖，以及從HERF-W上切割的拉伸試樣。

圖2 25℃至600℃不同測(cè)試溫度下的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(a)燒結(jié)態(tài)W和(b)HERF-W。

圖3 HERF-W和各種報(bào)告的塊體W材料在100℃下的拉伸性能，（a）HERF-W和其他報(bào)告的純W和W基合金系統(tǒng)之間的無(wú)塑性溫度（NDT）和極限拉伸強(qiáng)度（UTS）的比較，（b）本工作中制備的HERF-W的UTS和總伸長(zhǎng)率（TE）的比較，相對(duì)于其他報(bào)道的純鎢和鎢基合金。參考鎢材料包括以藍(lán)色符號(hào)表示的各種燒結(jié)塊狀鎢錠，以及以黑色符號(hào)表示的熱機(jī)械加工純鎢和鎢基合金。在此，紅色五角星代表HERF-W。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率：2×104秒1；其余參考W材料：1×104秒11×103秒1。

微觀結(jié)構(gòu)分析表明HERF-W中的多尺度細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)。形成了平均晶粒厚度為~3.8μm、長(zhǎng)度為~16.5μm的精細(xì)層狀結(jié)構(gòu)母粒。在HERF加工過(guò)程中，通過(guò)溫和的動(dòng)態(tài)恢復(fù)，在這些母粒中形成了具有低角度晶界(LAGB)的細(xì)小亞晶粒(~1.3μm)。此外，亞晶粒中存在中等密度的保留自由位錯(cuò)（~（9.5±0.4）×1013m-2），其中高活動(dòng)度的邊緣位錯(cuò)和混合位錯(cuò)占主導(dǎo)地位（~58.2％）。

圖4 根據(jù)（a）橫截面和（b）鍛造表面，以及（c）沿HERF-W軸向和徑向的相應(yīng)晶粒尺寸分布，對(duì)HERF-W進(jìn)行EBSD表征和反極圖（IPF）。在（a）和（b）中，顏色和晶體方向定義如下：紅色表示<001>，綠色表示<101>，藍(lán)色表示<111>。（a）中的Y和（b）中的Z平行于HERF-W的軸向，其余均平行于HERF-W的徑向。

圖5 (a)放大的EBSD圖像顯示細(xì)等軸亞晶粒，(b)顯示LAGB和HAGB的相應(yīng)GB偏差取向映射，以及(c)相應(yīng)的亞晶粒尺寸分布，平均尺寸為1.3μm。紅線和藍(lán)線分別表示2°<θ<10°的LAGB和θ>10°的HAGB。

圖6 高晶體取向（通道）對(duì)比BSE圖像分別顯示(a)商業(yè)燒結(jié)純W、(b)熱壓燒結(jié)W和(c)HERF-W中的亞晶粒。

圖7 HERF-W在(a)25℃(RT),(b)100℃,(c1)和(c2)300℃,(d1)和(d2)500℃。黃色虛線矩形表示沿HAGB的微裂紋，(c2)和(d2)是分別對(duì)應(yīng)于(c1)和(d1)中的紅色矩形的放大圖像。

圖8  EBSD表征和統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示了(a)熱壓燒結(jié)（原燒結(jié)）W，(b)商業(yè)燒結(jié)W的晶粒尺寸、形狀、取向、GB類(lèi)型和晶粒尺寸分布。(a2)和(b2)中的紅線和藍(lán)線分別表示2°<θ<10°的LAGB和θ>10°的HAGB。

圖9  顯示動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程中細(xì)亞晶粒形成的明場(chǎng)TEM圖像。(a)位錯(cuò)纏結(jié)，(b)多邊形位錯(cuò)壁(PDW)，(c)來(lái)自PDW的部分轉(zhuǎn)換邊界(PTB)，和(d)等軸細(xì)亞晶粒結(jié)構(gòu)。

圖10  相同z區(qū)軸但不同g矢量條件下鎢晶粒中PDW的特征。(a-c)左：PDW的不同雙光束明場(chǎng)TEM圖像，(a-c)右：顯示兩個(gè)易滑1/2111位錯(cuò)結(jié)合形成固著<100>位錯(cuò)的相互作用的六方網(wǎng)絡(luò)。

圖11  BDT溫度與亞晶粒尺寸的關(guān)系。

圖12 分別從(a)燒結(jié)態(tài)W(b)從橫截面看的HERF-W和(c)從鍛造表面看的HERF-W的EBSD結(jié)果獲得的偏差取向角。

圖13  顯示位錯(cuò)在LAGB上轉(zhuǎn)移的明場(chǎng)TEM圖像，如紅色虛線所示，以及相應(yīng)的選定區(qū)域電子衍射圖（插圖）表明LAGB具有約2°的小偏差。

圖14 相同z區(qū)軸但不同g矢量條件下鎢晶粒中的位錯(cuò)特征。(a-c)左：位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的不同雙光束明場(chǎng)TEM圖像，(a-c)右：位錯(cuò)的Burgers矢量使用不同顏色突出顯示。黑色箭頭表示基于位錯(cuò)線與其Burgers矢量之間的幾何取向關(guān)系準(zhǔn)則的邊緣或混合型位錯(cuò)。

圖15  HERF-W在HERF工藝過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)演變的示意圖。

低溫延展性和高強(qiáng)度的優(yōu)異結(jié)合來(lái)自于多尺度微觀結(jié)構(gòu)調(diào)制，包括晶粒尺寸、GB類(lèi)型、層狀晶粒結(jié)構(gòu)、亞結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)密度和類(lèi)型。GB強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化是HERF-W的主要強(qiáng)化機(jī)制。LAGBs改善的應(yīng)變相容性及其屏蔽和鈍化（反屏蔽）效應(yīng)、高度移動(dòng)的邊緣和混合位錯(cuò)以及層狀結(jié)構(gòu)獲得分層增韌效應(yīng)是低溫延展性的主要機(jī)制。

得益于精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，低溫延展性和優(yōu)異強(qiáng)度的相容性使HERF-W不僅具有科學(xué)意義，而且在聚變反應(yīng)堆中的動(dòng)能穿透器和面向等離子材料方面具有工業(yè)應(yīng)用前景。目前的工作展示了通過(guò)粉末冶金技術(shù)和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控策略設(shè)計(jì)其他具有低溫延展性和高強(qiáng)度完美結(jié)合的難熔金屬和合金的潛力。