【科技自立自強】西安交大科研人員發(fā)現(xiàn)低錸合金化難以降低鎢的韌脆轉(zhuǎn)變溫度

人造太陽-核聚變能是人類未來能源的終極解決方案。鎢（w）因其具有高熔點、高溫強度、高導(dǎo)熱率、低氫（h/d/t）滯留率和抗輻照損傷等優(yōu)異的性能，被譽為面向等離子體第一壁的最佳候選材料。然而，過渡金屬鎢的低溫韌性差、韌脆轉(zhuǎn)變溫度高，極大地限制了鎢的加工和應(yīng)用。如何克服鎢的低溫脆性成為以鎢為代表的難熔金屬研究領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)難題之一。為此，各國研究者在鎢的低溫增韌方面開展了一系列的研究工作。長期以來，大量的模擬計算結(jié)果表明，錸（re）合金化可以改變螺位錯的三維核心結(jié)構(gòu)，從而促進螺位錯雙扭折形核，提高螺位錯的滑移能力，最終可改善w的變形能力，實現(xiàn)w的低溫韌化。因此，re被認為是提高w變形能力并降低其韌脆轉(zhuǎn)變溫度的最佳合金元素。在大量的實驗研究中，報道的“re效應(yīng)”通常與機械加工（高溫軋制等）引入的初始位錯、層片結(jié)構(gòu)、晶粒細化等因素混淆在一起，難以澄清單一因素（re合金化）對w變形能力的影響。因此，re合金化能否實現(xiàn)低溫增韌、降低w的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，一直缺乏系統(tǒng)的研究和關(guān)鍵的實驗證據(jù)。

圖1：w及w-re合金的韌脆轉(zhuǎn)變行為

近日，西安交通大學(xué)材料學(xué)院韓衛(wèi)忠教授團隊通過沖桿試驗（zhang yh, et al. acta materialia 220 (2021) 117332），對再結(jié)晶態(tài)的w-re合金進行了系統(tǒng)研究，揭示了其韌脆轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵缺陷機制，并闡明了低含量（≤10 wt.%）的re合金化并不能有效降低w的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。研究人員發(fā)現(xiàn)re合金化引起的有限韌化僅發(fā)生在很窄的低溫區(qū)間（50°c~200°c）。高溫（≥300°c）變形時，w-re合金的塑性變形能力明顯降低，最終導(dǎo)致合金高溫韌性下降、韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。而且re含量越高，w-re合金的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越高（如圖1所示）。通過表面變形形貌的表征發(fā)現(xiàn)，相比于純w的沿晶開裂，re合金化促進了更多的位錯行為，從而增加了w-re合金的低溫韌性，但這一改善非常有限。此外，當變形溫度升高到300°c時，w-re合金中還出現(xiàn)了大量的位錯交滑移現(xiàn)象。隨著re含量的增加，交滑移程度越來越劇烈（如圖2所示）。有趣的是，雖然w-re合金在高溫下發(fā)生了大量的位錯交滑移，但其變形能力和韌性反而變差了。

圖2：re合金化促進了位錯滑移/交滑移

通過進一步的缺陷表征發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，位錯增殖能力的突然增加使得純w發(fā)生了脆韌轉(zhuǎn)變（lu y, et al. pnas118 (2021) e2110596118,zhang yh, et al. jmst 141 (2023) 193–198）。然而，合金化后，re元素在高溫下促進了螺位錯的局部交滑移，從而產(chǎn)生了橫跨多個滑移面（三維結(jié)構(gòu)）的超割階和位錯環(huán)。這些缺陷結(jié)構(gòu)的密度和分布不僅和re元素的含量相關(guān)，而且還表現(xiàn)出明顯的溫度依賴性：re含量和變形溫度越高，缺陷的密度越高（如圖3所示）。

高密度的三維不可動缺陷（超割階和位錯環(huán)）強烈地阻礙了位錯的運動，最終導(dǎo)致w-re合金高溫變形能力下降、韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。

圖3：空間型的割階和位錯環(huán)導(dǎo)致了w-re合金的高溫硬化

相關(guān)工作以《揭示鎢中的錸效應(yīng)》（“unveiling the intrinsic rhenium effect in tungsten”）為題發(fā)表在acta materialia264 (2024) 119586。西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生張雨衡為論文第一作者，韓衛(wèi)忠教授為論文通訊作者，合作者包括馬恩教授和孫軍院士。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會優(yōu)青項目和面上項目的共同資助。

論文鏈接：