近日，澳门新莆京游戏app大厅金属结构材料研究团队在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Achieving high strength and ductility in ODS-W alloy by employing oxide@W core-shell nanopowder as precursor”的研究论文。
与相应的合金基体相比，氧化物弥散强化(ODS)的合金具有显著改善的强度、组织稳定性和蠕变抵抗力，这使得它们在许多关键的领域具有很大的应用前景。但由于添加的氧化物趋于在金属基体晶界处团聚长大，不能很好地弥散分布，这大大削弱了氧化物添加对合金的改善效果。例如，由于变形的不连续性，在载荷作用下金属基体和氧化物颗粒界面处极易产生应力集中，晶界处大尺寸氧化物颗粒所在的位置往往是裂纹萌生之处。因此，ODS合金获得良好强韧性的关键在于优化其氧化物第二相颗粒的分布，尽可能多地将它们均匀弥散分布于金属晶粒内部。此设想不仅可以有效阻碍晶界处氧化物颗粒的偏聚粗化，而且还可以将位错钉扎积累到金属晶粒内部，进而提高材料的应变硬化能力，减弱材料沿晶断裂的倾向，最终改善材料的强韧性。
高质量复合粉末的制备是控制ODS合金中氧化物颗粒分布的关键。采用球磨法和传统化学法制备的复合粉末中，氧化物颗粒和金属粉末一般都是简单的物理混合。在后续烧结过程中，由于团聚和粗化效应，氧化物颗粒极易在金属基体晶界处偏聚长大。若能将复合粉末中的氧化物第二相颗粒弥散分散到金属晶粒内部，后续烧结过程中氧化物颗粒的偏聚长大将受到很大程度的限制，晶粒内部氧化物颗粒的尺寸也将大大细化。然而，由于金属与氧化物显著不同的性质，金属在氧化纳米颗粒表面包覆生长十分困难。此外，对于团聚性极强的氧化物纳米颗粒，精确控制其尺寸单分散性也十分困难。
该论文以ODS钨基合金为研究对象，巧妙采用水热法和冷冻干燥法相结合的原位化学工艺批量制备了具有钨包覆氧化物核壳结构的复合纳米粉末。在这种独特复合粉末中，纳米尺寸的氧化物(约2~5 nm)被均匀地包覆到钨晶粒内部，同时它们与周围的钨基体呈现出完全共格的界面特征。以该复合粉末为先驱粉，经低温烧结和高能锻加工以后，获得了强度和韧性匹配良好的ODS钨基合金。力学性能测试的结果表明：该ODS钨基合金在室温下延伸率为2.5%，抗拉强度为1390MPa(图1a)，这表明该钨合金的韧脆转变温度降到了室温以下，打破了传统ODS钨基合金在低温下呈脆性的局限性。600℃下强度为720MPa，延伸率为14%(图1a)，具有优异的强韧性。综上，这种采用核壳结构复合前驱粉在金属基体晶粒内部引入弥散分布共格第二相纳米颗粒的思路能够显著改善合金的强韧性，而且可以广泛应用于其他ODS合金体系。本文为高性能氧化物弥散强化合金研究提供了新的思路，有助于推动氧化物弥散强化合金的实际应用。
图1. 采用氧化物包覆钨核壳结构复合粉末烧结制备的ODS钨基合金的拉伸曲线，以及与其他钨基合金的无延性温度、极限抗拉强度和延伸率的对比。
【本文要点】
要点一：氧化物纳米颗粒完全分布于钨晶粒内部，与之呈现共格界面关系
图2. 制备的ODS钨基合金中钨晶粒的明场TEM、HAADF-STEM图片，以及钨基体和氧化物颗粒原子分辨率的HAADF-STEM图片和FFT图片。
要点二：拉长的合金母晶中分布有细小的等轴亚晶
图3. 制备的ODS钨基合金中钨晶粒的EBSD表征。IPF图、晶粒图、晶界分布图、KAM图、晶粒尺寸分布图以及晶界取向偏差分布图。
要点三：钨包覆氧化物核壳结构复合先驱粉化学法制备
图1. 钨包覆氧化物核壳结构复合先驱粉的表征。TEM图、XRD图、HRTEM图、HAADF-STEM图。
【文章信息】
采用钨包覆氧化物核壳结构先驱粉制备高强韧氧化物弥散强化钨基合金
第一作者：董智
通讯作者：马宗青*，刘永长*
单位：澳门新莆京游戏app大厅
【文章链接】
Achieving high strength and ductility in ODS-W alloy by employing oxide@W core-shell nanopowder as precursor
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25283-2