西安交通大学在纯钨块材中实现室温塑性和高强度

颗粒在线讯：近日，西安交通大学与中科院合肥研究院合作在高性能钨材料研究方面取得了新进展，通过多尺度微结构调控策略，在纯钨块材中实现了室温塑性和高强度。这意味着未来面向等离子体材料（PFM）的服役时间将更长和使用性能将更高。相关成果发表在Acta Materialia上。

论文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1359645422001525

面向等离子体材料是核聚变反应装置中直接面对等离子体的第一壁、偏滤器及限制器的装甲材料，能有效控制进入等离子体的杂质，移走辐射到材料表面的热功率；保护非正常停堆时其他部件免受等离子体轰击而损坏。所以，它的性能对核聚变反应装置的发展来说尤其的重要，除了要具有较好的耐高温性能和耐冲击性能之外，还应具备低温韧性、高强度和抗辐射能力等特点。

难熔金属钨（W）因具有高熔点，低蒸气压，良好的导热性、高温强度、结构稳定性和化学稳定性等优点，而成为PFMs最佳的候选材料。然而，纯钨存在低温脆性、高温再结晶脆性和辐照脆性等缺点，也在很大程度上制约了核聚变反应堆的发展。为了解决上述的问题，研究者虽然通过弥散强化、轧制、拉拔等手段提高了钨材料的低温韧性和强度，但是要在大块纯钨中同时实现室温拉伸塑性和高强度仍是一个巨大挑战，这主要是由于经过常规的高温烧结和后续热形变后，钨晶粒易粗化。

鉴于此，西安交通大学与中科院合肥研究院研究者共同提出了多尺度微结构调控策略，成功制备出兼具室温拉伸塑性和高强度的纯钨块材。首先，通过对活化的W粉进行两步低温烧结，得到的烧结钨板坯平均晶粒尺寸为8.9 um；再通过高能率锻造的温加工动态回复，最终在锻造钨块材中实现了独特的多尺度微结构：层状结构母晶，母晶中含超细亚晶，亚晶中含高比例可动性位错。与现有的块体钨材料相比，锻造钨块材在室温下的拉伸塑性和抗拉强度更优秀。

图1 多尺度微结构调控示意图及样品图片

研究表明，层状母晶、超细亚晶与高比例的刃型和复合位错协同作用是纯钨实现室温塑性和高强度的主要原因。层状结构母晶可以钝化裂纹尖端实现增韧效果；相比于大角度晶界，母晶中高比例的亚晶界更有利于位错穿过，从而缓释晶间应力，防止沿晶开裂。更为重要的是，超细亚晶中预制的位错包含58%刃位错和复合位错，而体心立方金属中刃位错和复合位错相比于单纯的螺位错在低温下具有更好的可动性。这些高移动性的位错不仅起到强化作用，还能够在低温下钝化裂纹尖端。