顆粒在線訊：近日，西安交通大學(xué)與中科院合肥研究院合作在高性能鎢材料研究方面取得了新進(jìn)展，通過多尺度微結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，在純鎢塊材中實(shí)現(xiàn)了室溫塑性和高強(qiáng)度。這意味著未來面向等離子體材料（PFM）的服役時(shí)間將更長和使用性能將更高。相關(guān)成果發(fā)表在Acta Materialia上。

論文鏈接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1359645422001525

面向等離子體材料是核聚變反應(yīng)裝置中直接面對(duì)等離子體的第一壁、偏濾器及限制器的裝甲材料，能有效控制進(jìn)入等離子體的雜質(zhì)，移走輻射到材料表面的熱功率；保護(hù)非正常停堆時(shí)其他部件免受等離子體轟擊而損壞。所以，它的性能對(duì)核聚變反應(yīng)裝置的發(fā)展來說尤其的重要，除了要具有較好的耐高溫性能和耐沖擊性能之外，還應(yīng)具備低溫韌性、高強(qiáng)度和抗輻射能力等特點(diǎn)。

難熔金屬鎢（W）因具有高熔點(diǎn)，低蒸氣壓，良好的導(dǎo)熱性、高溫強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，而成為PFMs最佳的候選材料。然而，純鎢存在低溫脆性、高溫再結(jié)晶脆性和輻照脆性等缺點(diǎn)，也在很大程度上制約了核聚變反應(yīng)堆的發(fā)展。為了解決上述的問題，研究者雖然通過彌散強(qiáng)化、軋制、拉拔等手段提高了鎢材料的低溫韌性和強(qiáng)度，但是要在大塊純鎢中同時(shí)實(shí)現(xiàn)室溫拉伸塑性和高強(qiáng)度仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，這主要是由于經(jīng)過常規(guī)的高溫?zé)Y(jié)和后續(xù)熱形變后，鎢晶粒易粗化。

鑒于此，西安交通大學(xué)與中科院合肥研究院研究者共同提出了多尺度微結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，成功制備出兼具室溫拉伸塑性和高強(qiáng)度的純鎢塊材。首先，通過對(duì)活化的W粉進(jìn)行兩步低溫?zé)Y(jié)，得到的燒結(jié)鎢板坯平均晶粒尺寸為8.9 um；再通過高能率鍛造的溫加工動(dòng)態(tài)回復(fù)，最終在鍛造鎢塊材中實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的多尺度微結(jié)構(gòu)：層狀結(jié)構(gòu)母晶，母晶中含超細(xì)亞晶，亞晶中含高比例可動(dòng)性位錯(cuò)。與現(xiàn)有的塊體鎢材料相比，鍛造鎢塊材在室溫下的拉伸塑性和抗拉強(qiáng)度更優(yōu)秀。

圖1 多尺度微結(jié)構(gòu)調(diào)控示意圖及樣品圖片

研究表明，層狀母晶、超細(xì)亞晶與高比例的刃型和復(fù)合位錯(cuò)協(xié)同作用是純鎢實(shí)現(xiàn)室溫塑性和高強(qiáng)度的主要原因。層狀結(jié)構(gòu)母晶可以鈍化裂紋尖端實(shí)現(xiàn)增韌效果；相比于大角度晶界，母晶中高比例的亞晶界更有利于位錯(cuò)穿過，從而緩釋晶間應(yīng)力，防止沿晶開裂。更為重要的是，超細(xì)亞晶中預(yù)制的位錯(cuò)包含58%刃位錯(cuò)和復(fù)合位錯(cuò)，而體心立方金屬中刃位錯(cuò)和復(fù)合位錯(cuò)相比于單純的螺位錯(cuò)在低溫下具有更好的可動(dòng)性。這些高移動(dòng)性的位錯(cuò)不僅起到強(qiáng)化作用，還能夠在低溫下鈍化裂紋尖端。