导读：氧化物弥散强化 (ODS) 合金具有优异的抗蠕变性、良好的高温微观结构稳定性和良好的抗辐照性，是一类在高温应用中很有前景的合金。然而，由于氧化物颗粒倾向于在金属基体晶界处聚集令人困扰，它们对金属基体力学性能的改善作用往往有限。该论文以ODS钨基合金为研究对象，巧妙采用水热法和冷冻干燥法相结合的原位化学工艺批量制备了具有钨包覆氧化物核壳结构的复合纳米粉末，经过低温烧结和高能率锻造后，高密度氧化物纳米颗粒均匀分散在制备的合金中的钨晶粒内，同时晶间氧化物颗粒完全消失。该合金在室温下实现了强度和延展性的极大提高。

对于传统的工程结构材料，在不牺牲其延展性的情况下提高其强度或同时提高其强度和延展性一直是其各种关键应用的关键目标。为了这个目的，许多策略已经采取，例如在材料的形成纳米孪晶，从而获得双峰/多峰颗粒结构和引入纳米颗粒内的弥散体或梯度结构。其中，纳米分散体的引入因其普遍适用性而备受关注，并已在许多系统中取得成功. 一旦第二相纳米弥散体被引入金属基体，当它们面对这些弥散体时，大量位错将被钉扎和积累在基体晶粒内部，从而提高应变硬化速率并确保高延展性。此外，这些弥散体还可以通过位错和纳米弥散体之间的相互作用（Orowan 循环或粒子剪切）大大加强基质。

近几十年来，非原位和原位方法都已经开发了均匀引入期望第二相分散体为不同的金属基体。通过原位方法引入的纳米分散体或纳米沉淀物主要通过热机械处理或化学反应合成。因此，它们通常表现出良好的热力学稳定性、精细的尺寸和在金属基体中的均匀分布。因此，原位分散体强化工程材料具有良好的力学性能和优异的高温使用能力。通过原位沉淀强化的典型合金包括 Cu 合金、铝合金、不锈钢等。

以 Al-Sc 二元合金为例，Zr、Er 元素的加入一般可以促进抗粗化共格 L12-Al3(Sc, Zr, Er ) 纳米沉淀。因此，它们的超细尺寸 (3–8 nm) 导致强度从 243 MPa 显着提高到 451 MPa. 更重要的是，纳米沉淀物与基体之间的共格界面关系不会破坏材料的延展性，同时提高其强度。因此，超细、连贯的纳米弥散体成为众多合金材料的新宠。

但是，对于一些合金体系，其第二相弥散体很难通过原位法引入，一般必须采用非原位法。通过粉末冶金和各种铸造技术，纳米陶瓷或金属间化合物颗粒，如氧化物和碳化物，被引入到金属基体，产生有吸引力的物理和机械性能的许多材料。然而，由于与基体的物理化学性质截然不同，这些异位纳米陶瓷或金属间化合物颗粒倾向于在金属基体的晶界处聚集和聚结，并与基体形成半相干或非相干界面，与上面提到的原位相干超细纳米沉淀物相比，这在很大程度上削弱了它们的强化效果。此外，由于变形不相容性，这些异位第二相颗粒与基体之间的半相干或非相干界面很容易引起严重的应力集中，导致裂纹形成，进而导致材料延展性降低。因此，对于非原位第二相颗粒强化合金体系，如何通过与上述原位方法相同的方法引入这些颗粒，即与基体完全晶格相干，超细尺寸，完全在晶内分布，已成为进一步开发高性能第二相颗粒强化合金的关键。

在这项工作中，天津大学金属结构材料研究团队刘永长教授等人成功地将陶瓷氧化物纳米粒子均匀地分散在金属基体晶粒内，同时晶间氧化物粒子完全消失，最终制备了高性能的氧化物弥散强化合金。高密度氧化物纳米粒子被引入到 W 晶粒内部。这些尺寸仅为 1-3 nm 的颗粒内氧化物纳米粒子与周围的 W 基质呈现出完全的晶格相干性。这种合金经过高能率锻造（HERF）处理后，强度和延展性都有很大的提高。相关研究成果在Nature Communications上发表题为“Achieving high strength and ductility in ODS-W alloy by employing oxide@W core-shell nanopowder as precursor”的研究论文。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-021-25283-2

与传统的纯W或WY 2 O 3合金不同，该ODS合金即使在室温下也表现出明显的韧性断裂，均匀伸长率为1.05±0.13%，总伸长率为2.50±0.21%。该结果表明，所开发合金打破了传统 W 基合金在低温下的脆性特征。虽然由于晶粒细化，它在高温下具有更高的强度，但传统 WY 合金的无损检测在 200°C 到 400°C 之间，表明其在低温下具有脆性特征。这种该ODS合金在室温下的最大屈服强度和极限拉伸强度 (UTS) 分别为 1210±15 MPa 和 1390±18 MPa。与传统的第二相弥散强化 W 基合金的文献数据相比（见图 1c)，可以发现这种 cWY 合金具有显着的强化效果，同时延展性增强。

图 1：采用氧化物包覆钨核壳结构复合粉末烧结制备的ODS钨基合金的机械性能。

图 2：颗粒内氧化物纳米粒子的 TEM 和 HAADF STEM 图像。

图 3：W 晶粒的电子背散射衍射 (EBSD) 表征。

图 4：氧化物@W 核壳结构复合粉末的 XRD、TEM 和 HAADF STEM 图像。

总之，通过烧结一种独特的氧化物@W核壳结构复合纳米粉末，我们成功制备了高性能的氧化物弥散强化钨基合金。我们创新的低温水热法和随后的冷冻干燥法能够形成氧化物@W 核壳纳米粉末。经过低温烧结和 HERF 处理后，与周围基体具有相干界面的高密度氧化物第二相纳米粒子 (1-3 nm) 均匀分散在 W 颗粒内部。此外，细化的等轴亚晶粒也被引入到 W 基体中。因此，这种分层微观结构打破了传统 W 基 ODS 合金或纯 W 在室温下的脆性特征，并使制备的合金具有高强度和良好延展性的结合。

【通讯作者简介】

马宗青：天津大学材料学院教授，国家优秀青年基金获得者。2011年毕业于天津大学，获材料学博士学位，并于同年进入天津大学材料学院工作。主要围绕高温合金和难熔金属等材料体系开展粉体的制备、烧结和3D打印成形研究。先后获天津市优秀博士学位论文奖、澳大利亚Discovery Early Career Researcher Award和中国材料研究学会科学技术二等奖（第2完成人）。至今以第一或通讯作者发表SCI论文80余篇，其中ESI热点论文1篇，ESI高被引论文5篇，H因子25。

刘永长：天津大学材料学院教授，国家杰出青年科学基金获得者、国家万人计划中青年科技创新领军人才。1990年进入西北工业大学学习并于2000年获材料加工工程专业博士学位；2000年至2003年为德国马普金属研究所博士后；2003年在天津大学破格晋升教授；研究领域为金属成形与加工。先后获全国优秀博士学位论文奖、霍英东高校青年教师一等奖、中国冶金青年科技奖、天津市科技进步一等奖各1项；至今发表SCI论文350余篇， H因子38。

【课题组介绍】

天津大学金属结构材料研究团队由刘永长教授担任团队负责人，现有国家万人计划入选者1人、国家杰出青年基金获得者1人、国家优秀青年基金获得者2人、国家青年特聘专家2人，入选天津市“131创新人才团队”。团队研究方向包括金属材料成形及加工、粉末冶金等，团队近十年累计承担包括国家973计划、国家863计划、国家重点研发计划、科技部ITER专项、国家自然科学基金等在内的国家、省部级课题20余项。