金属顶刊《Acta materialia》分层微观结构助力金属材料出色的低温强度-延展性协同作用！

2022-02-25 10:22:31 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：众所周知，难熔钨(W)在室温下很脆，这限制了它的加工性并缩小了关键应用的温度范围。本文提出一种多尺度微观结构调制策略，以实现大块纯W的低温延展性和高强度的完美结合。通过活化W粉末的快速两步低温烧结和高能率锻造处理，在纯W中构建了独特的分层微观结构，包括层状细长基体晶粒，内部具有大量细小亚晶粒，以及高密度的滑移边缘和混合位错。在室温下，分层结构块体W表现出可检测的拉伸延展性和1.35GPa的极限拉伸强度(UTS)。高温下仍可保持高强度，即200℃时UTS>1.0GPa；在此温度下，它还具有15.3%的显着拉伸延展性。

钨(W)作为具有代表性的体心立方(BCC)难熔金属，具有高熔点、高高温强度、高导热性和其他特性，非常适合于聚变反应堆中的动能穿透器和等离子体材料等许多应用。然而，W具有固有的脆性，容易因晶粒粗化和中子辐照而发生操作脆化，这显着限制了其可加工性并缩小了应用温度范围。

W的固有脆性和较差的延展性被认为源于其具有非常高的Peierls应力的BCC晶体结构，以及晶界（GBs）的较差内聚性。因此，一种提高塑性的实用方法是通过改变位错核结构，与稀土合金化，从而提高GB内聚力，并提高1/2<111>螺旋位错的迁移率。轧制W-1.9Re和锻造W-25Re分别在25℃和室温（RT）下表现出延展性，含26wt%稀土的W的脆塑转变（BDT）温度低至101℃。然而，稀土的稀有性和高成本阻碍了该工程策略的广泛应用。除稀土外，其他合金元素如铱（Ir）、钛（Ti）和铪（Hf）也有助于提高钨材料的延展性。

晶粒细化被认为是降低BDT温度和提高高强度材料塑性的关键技术。在W中添加氧化物或碳化物，如ZrC、TiC、Y2O3和La2O3，是通过有效地钉住GBs的移动来细化和稳定W晶粒的有效方法。因此，为了这种高性能金属的可持续性，开发W结构以实现低温延展性和高强度的优异结合，同时降低成分复杂性是非常可取的。

近年来，人们提出了“材料平面化”的概念，它提供了一种新的策略，通过在不同长度尺度上控制稳定的微观结构来提高金属的机械性能，同时减少或不进行合金化。变形技术在金属和合金中引起的晶粒细化是众所周知的反应。对于纯钨，采用了各种严重塑性变形（SPD）技术，包括拉伸、挤压、等通道角挤压（ECAP）和高压扭转（HPT）来提高其低温性能。例如，冷轧0.1mm厚的W箔和掺K的W箔在环境温度下具有延展性，在室温下的UTS分别为~2GPa和~3GPa。与初生粗晶钨相比，ECAP生产的超细晶钨在强度和延展性方面都有明显改善。此外，拉制的钨丝的BDT温度为RT，UTS高达2.1GPa。微观结构研究表明，拉拔钨丝中的“纤维”尺寸被细化至约1μm，冷轧钨丝和掺钾钨丝中沿轧制方向的晶粒尺寸甚至被细化至小于0.5μm，这对提高低温塑性和强度至关重要。此外，变形过程中引入的薄片和纤维结构等非均匀结构被认为有利于低温塑性和高强度的结合。然而，W箔或W线的尺寸不合适限制了其作为散装组件的应用。这些W产品均在低于W再结晶温度的温度下进行SPD处理，导致绝大多数高角度晶界（HAGBs）在缓解应变不相容性和裂纹敏感性方面较弱。

在此，中科院固体物理研究所材料物理重点实验室的X.F. Xie团队通过开发的两步法烧结活化的W粉末，制备了具有细晶粒的烧结态W锭，并通过随后的HERF工艺温加工，生产了具有良好组合的块状HERF-W低温延展性和超高强度。采用HERF技术是因为它的形成速度快并且能够获得所需的微结构。此外，在HERF工艺的每个步骤中，变形温度、数量和速率都可以灵活控制。通过控制具有精细亚晶粒结构、LAGBs、位错密度和类型的层状母晶来强调微观结构的调节。本工作提出的这种多尺度微观结构调制策略可为其他高性能难熔金属及合金的制备提供参考。相关研究成果以题“Hierarchical microstructures enabled excellent low-temperature strength-ductility synergy in bulk pure tungsten”发表在金属顶刊Acta Materialia上。

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

实现了块状HERF-W的拉伸强度和延展性的显着提高。在室温下，观察到可检测的拉伸延展性和极限拉伸强度(UTS)为1.35GPa。在200℃时，HERF-W的UTS仍高于1.0GPa，并且具有显着的拉伸延展性，总伸长率(TE)为15.3%，远高于之前报道的块状纯W甚至具有第二相分散颗粒的W合金。这些结果表明HERF-W在低温下具有显着的延展性和强度相容性。此外，在600°C的高温下，HERF-W还表现出强度（UTS843±21MPa）和延展性（TE10.2±2%）的良好组合。这些性能明显优于在散装纯W和具有第二相颗粒的W合金中报道的性能。低角度晶界和高移动位错的屏蔽和钝化效应以及层状结构获得分层增韧效应是提高低温塑性和强度的主要机制。本研究展示了一种在不涉及任何合金元素的情况下在块体W中实现有吸引力的低温强度-延展性协同作用的实用途径，并且是一种设计高性能难熔金属和合金的可行且低成本的途径。

图1 显示HERF工艺的示意图，以及从HERF-W上切割的拉伸试样。

图2 25℃至600℃不同测试温度下的拉伸工程应力-应变曲线，(a)烧结态W和(b)HERF-W。

图3 HERF-W和各种报告的块体W材料在100℃下的拉伸性能，（a）HERF-W和其他报告的纯W和W基合金系统之间的无塑性温度（NDT）和极限拉伸强度（UTS）的比较，（b）本工作中制备的HERF-W的UTS和总伸长率（TE）的比较，相对于其他报道的纯钨和钨基合金。参考钨材料包括以蓝色符号表示的各种烧结块状钨锭，以及以黑色符号表示的热机械加工纯钨和钨基合金。在此，红色五角星代表HERF-W。本实验应变率：2×104秒1；其余参考W材料：1×104秒11×103秒1。

微观结构分析表明HERF-W中的多尺度细化微观结构。形成了平均晶粒厚度为~3.8μm、长度为~16.5μm的精细层状结构母粒。在HERF加工过程中，通过温和的动态恢复，在这些母粒中形成了具有低角度晶界(LAGB)的细小亚晶粒(~1.3μm)。此外，亚晶粒中存在中等密度的保留自由位错（~（9.5±0.4）×1013m-2），其中高活动度的边缘位错和混合位错占主导地位（~58.2％）。

图4 根据（a）横截面和（b）锻造表面，以及（c）沿HERF-W轴向和径向的相应晶粒尺寸分布，对HERF-W进行EBSD表征和反极图（IPF）。在（a）和（b）中，颜色和晶体方向定义如下：红色表示<001>，绿色表示<101>，蓝色表示<111>。（a）中的Y和（b）中的Z平行于HERF-W的轴向，其余均平行于HERF-W的径向。