近期，中科院合肥研究院固体所内耗与固体缺陷研究部与西安交通大学合作在高性能钨材料研究方面取得新进展，通过多尺度微结构调控策略，在纯钨块材中实现室温韧性和高强度。相关成果以 “Hierarchical microstructures enabled excellent low-temperature strength-ductility synergy in bulk pure tungsten” 为题，发表在金属材料顶级期刊 Acta Materialia ( Acta Mater., 2022, DOI: 10.1016/j.actamat.2022.117765 ) 上。
聚变堆材料问题，特别是面向等离子体材料（PFM）问题，是制约聚变能发展的瓶颈之一。钨（W）具有高熔点、高热导率等优点，成为PFMs最佳的候选材料。然而，纯钨存在低温脆性、高温再结晶脆性和辐照脆性等缺点，因此亟待发展兼具低温韧性和高强度的钨材料。国内外研究人员通过弥散强化、轧制、拉拔等物理和化学手段提高钨材料的低温韧性和强度，制备出了具有室温塑性的钨薄片、钨丝和第二相弥散强化钨合金。但是，在大块纯钨中同时实现室温拉伸塑性和高强度仍是一个巨大挑战，这主要是由于经过常规的高温烧结和后续热形变，钨晶粒易粗化，难以细化到微米或亚微米级。
鉴于此，研究团队在前期高性能W-ZrC块体合金的基础上，受其微结构特征的启发，提出了多尺度微结构调控策略，成功制备出兼具室温拉伸塑性和高强度的纯钨块材（图1）。首先，通过对活化的W粉进行快速两步低温烧结，得到的烧结钨板坯平均晶粒尺寸为8.9 μm，远小于商业粗晶钨（~39 μm）。再通过高能率锻造的温加工动态回复，最终在锻造钨块材中实现了独特的多尺度微结构：层状结构母晶，母晶中含超细亚晶（~1 μm），亚晶中含高比例可动性位错。锻造钨块材在室温下展现出拉伸塑性且抗拉强度高达1354 MPa；在100 ℃时，延伸率达4.2%，抗拉强度维持在1300 MPa（图2）。除了优异的低温性能外，高能率锻造纯钨在600 ℃下的延伸率和强度分别为10.2%和843 MPa，与已报道的块体钨材料相比，仍具有明显优势。
层状母晶、超细亚晶与高比例的刃型和复合位错协同作用是纯钨实现室温塑性和高强度的主要原因。层状结构母晶可以钝化裂纹尖端实现增韧效果；相比于大角度晶界，母晶中高比例的亚晶界更有利于位错穿过，从而缓释晶间应力，防止沿晶开裂。更为重要的是，超细亚晶中预制的位错包含58%刃位错和复合位错（图3，黑色箭头指示），而体心立方金属中刃位错和复合位错相比于单纯的螺位错在低温下具有更好的可动性。这些高移动性的位错不仅起到强化作用，低温下还能够钝化裂纹尖端。该研究展示了一种在不添加合金和第二相颗粒情况下实现钨块材低温塑性和高强度协同提升的有效策略，也为制备其他高性能难熔金属及合金提供了研究思路。
解雪峰博士为该论文的第一作者，谢卓明副研究员和吴学邦研究员为该论文的共同通讯作者。
上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和安徽省自然科学基金的资助。
文章链接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117765。
图1. 多尺度微结构调控示意图及样品图片。
图2. 烧结态纯钨和高能率锻造纯钨在不同温度下的工程应力-应变曲线以及不同类型钨材料的力学性能比较。
图3. 不同g矢量条件下位错特征（刃位错：位错线垂直于Burgers矢量；螺位错：位错线平行于Burgers矢量；复合位错：位错线与Burgers矢量间夹角在 0° 到 90° 之间）。