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方前鋒研究員課題組在納米結(jié)構(gòu)鎢基合金研制方面取得重要進(jìn)展，通過壓力輔助低溫致密化燒結(jié)法成功制備出高強(qiáng)度雙納米結(jié)構(gòu)鎢材料。相關(guān)工作發(fā)表在International Journal of Refractory Metals and Hard Materials (Int. J. Refract. Met. H. 80, 104-113(2019))雜志上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263436818306528

鎢基合金被認(rèn)為是最有潛力的能夠應(yīng)用于聚變反應(yīng)堆極端環(huán)境的面向等離子體第一壁材料，但商業(yè)純鎢的脆性極大地限制了其應(yīng)用。氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）是改善鎢基合金韌性的有效途徑之一，但目前的ODS-W中氧化物顆粒尺寸較大，達(dá)不到理想的強(qiáng)韌化效果。針對(duì)這一問題，研究人員借鑒ODS-Fe中采用固溶-沉淀機(jī)制將氧化物顆粒尺寸控制在3 nm以下的經(jīng)驗(yàn)，通過壓力輔助低溫致密化燒結(jié)的辦法成功制備了雙納米結(jié)構(gòu)鎢材料：W晶粒尺寸~67 nm和Y2Ti2O7氧化物顆粒尺寸~ 10 nm。

研究人員首先通過高能球磨將 Y2O3和Ti“固溶”到W基體中，然后采用放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)對(duì)高能球磨后的W-1.0% Y2O3-0.7%Ti粉體進(jìn)行致密化燒結(jié)，通過嚴(yán)格控制燒結(jié)溫度使得納米尺度Y2Ti2O7顆粒析出，并均勻彌散分布于鎢基體中，這些細(xì)小的第二相納米顆粒抑制鎢晶粒長大，最終實(shí)現(xiàn)雙納米結(jié)構(gòu)W-1.0%Y2O3-0.7%Ti塊體合金材料的制備。XRD和TEM結(jié)果顯示，W晶粒的平均尺寸為67 nm，氧化物顆粒在晶內(nèi)和晶界的平均粒徑分別為8.5 nm和16.4 nm，如圖所示。這種納米結(jié)構(gòu)的W合金的顯微維氏硬度高達(dá)1441 Hv，是文獻(xiàn)報(bào)道的普通W合金的2-3倍。極高的顯微硬度，來源于納米級(jí)W晶粒和均勻分散的納米氧化物顆粒的協(xié)同強(qiáng)化作用。這種固溶-析出過程為通過可控方式分散納米級(jí)氧化物制備納米晶難熔金屬提供了一條通用途徑。

 雙納米結(jié)構(gòu)W-1.0%Y2O3-0.7%Ti合金的形貌及晶粒、顆粒尺寸分布圖。