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钨中铼效应:发现低铼合金化难以降低钨的韧脆转变温度!
发布者: 韩卫忠 | 2023-12-26 | 27948

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    人造太阳-核聚变能是人类未来能源的终极解决方案。钨(W)因其具有高熔点、高温强度、高导热率、低氢(H/D/T)滞留率和抗辐照损伤等优异的性能,被誉为面向等离子体第一壁的最佳候选材料。然而,过渡金属钨的低温韧性差、韧脆转变温度高,极大地限制了钨的加工和应用。如何克服钨的低温脆性成为以钨为代表的难熔金属研究领域的关键科学难题之一。为此,各国研究者在钨的低温增韧方面开展了一系列的研究工作。长期以来,大量的模拟计算结果表明,铼(Re)合金化可以改变螺位错的三维核心结构,从而促进螺位错双扭折形核,提高螺位错的滑移能力,最终可改善W的变形能力,实现W的低温韧化。因此,Re被认为是提高W变形能力并降低其韧脆转变温度的最佳合金元素。在大量的实验研究中,报道的“Re效应通常与机械加工(高温轧制等)引入的初始位错、层片结构、晶粒细化等因素混淆在一起,难以澄清单一因素(Re合金化)对W变形能力的影响。因此,Re合金化能否实现低温增韧、降低W的韧脆转变温度,一直缺乏系统的研究和关键的实验证据。

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                                             图1:W及W-Re合金的韧脆转变行为


    近日,西安交通大学材料学院韩卫忠教授团队通过冲杆试验(Zhang YH, et al. Acta Materialia 220 (2021) 117332),对再结晶态的W-Re合金进行了系统研究,揭示了其韧脆转变的关键缺陷机制,并阐明了低含量(≤10 wt.%)的Re合金化并不能有效降低W的韧脆转变温度。研究人员发现Re合金化引起的有限韧化仅发生在很窄的低温区间(50 °C~200 °C)。高温(≥300 °C)变形时,W-Re合金的塑性变形能力明显降低,最终导致合金高温韧性下降、韧脆转变温度升高。而且Re含量越高,W-Re合金的韧脆转变温度越高(如图1所示)。通过表面变形形貌的表征发现,相比于纯W的沿晶开裂,Re合金化促进了更多的位错行为,从而增加了W-Re合金的低温韧性,但这一改善非常有限。此外,当变形温度升高到300 °C时,W-Re合金中还出现了大量的位错交滑移现象。随着Re含量的增加,交滑移程度越来越剧烈(如图2所示)。有趣的是,虽然W-Re合金在高温下发生了大量的位错交滑移,但其变形能力和韧性反而变差了。
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                                        图2Re合金化促进了位错滑移/交滑移


    通过进一步的缺陷表征发现,随着温度升高,位错增殖能力的突然增加使得纯W发生了脆韧转变(Lu Y, et al. PNAS 118 (2021) e2110596118, Zhang YH, et al. JMST 141 (2023) 193–198)。然而,合金化后,Re元素在高温下促进了螺位错的局部交滑移,从而产生了横跨多个滑移面(三维结构)的超割阶和位错环。这些缺陷结构的密度和分布不仅和Re元素的含量相关,而且还表现出明显的温度依赖性:Re含量和变形温度越高,缺陷的密度越高(如图3所示)。高密度的三维不可动缺陷(超割阶和位错环)强烈地阻碍了位错的运动,最终导致W-Re合金高温变形能力下降、韧脆转变温度升高。
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                     图3:空间型的割阶和位错环导致了W-Re合金的高温硬化


    相关工作以Unveiling the Intrinsic Rhenium Effect in Tungsten为题发表在Acta Materialia 264 (2024) 119586。西安交通大学材料学院博士生张雨衡为论文第一作者,韩卫忠教授为论文通讯作者,合作者包括马恩教授和孙军院士。该工作得到了国家自然科学基金委员会优青项目和面上项目的共同资助。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119586