高性能納米晶鎢基合金研製取得進展

近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員方前鋒課題組在納米結構鎢基合金研製方面取得新進展，通過壓力輔助低溫致密化燒結法成功製備出高強度雙納米結構鎢材料。相關工作發表在International Journal of Refractory Metals and Hard Materials雜誌上。

鎢基合金被認為是最有潛力的能夠應用於聚變反應堆極端環境的面向等離子體第一壁材料，但商業純鎢的脆性極大地限制了其應用。氧化物彌散強化（ODS）是改善鎢基合金韌性的有效途徑之一，但目前的ODS-W中氧化物顆粒尺寸較大，達不到理想的強韌化效果。針對這一問題，研究人員借鑒ODS-Fe中採用固溶-沉澱機制將氧化物顆粒尺寸控制在3nm以下的經驗，通過壓力輔助低溫致密化燒結的辦法成功製備了雙納米結構鎢材料：W晶粒尺寸~67 nm和Y2Ti2O7氧化物顆粒尺寸~ 10 nm。

研究人員首先通過高能球磨將Y2O3和Ti“固溶”到W基體中，然後採用放電等離子燒結（SPS）技術對高能球磨後的W-1.0%Y2O3-0.7%Ti粉體進行致密化燒結，通過嚴格控制燒結溫度使得納米尺度Y2Ti2O7顆粒析出，並均勻彌散分布於鎢基體中，這些細小的第二相納米顆粒抑製鎢晶粒長大，最終實現雙納米結構W-1.0%Y2O3-0.7%Ti塊體合金材料的製備。XRD和TEM結果顯示，W晶粒的平均尺寸為67nm，氧化物顆粒在晶內和晶界的平均粒徑分別為8.5 nm和16.4 nm，如圖所示。這種納米結構的W合金的顯微維氏硬度高達1441 Hv，是文獻報導的普通W合金的2-3倍。極高的顯微硬度，來源於納米級W晶粒和均勻分散的納米氧化物顆粒的協同強化作用。這種固溶-析出過程為通過可控方式分散納米級氧化物製備納米晶難熔金屬提供了一條通用途徑。

該工作得到科技部重點研發項目和國家自然科學基金的支持。

雙納米結構W-1.0%Y2O3-0.7%Ti合金的形貌及晶粒、顆粒尺寸分布圖。

來源：中國科學院合肥物質科學研究院