基于冷冻干燥与液相烧结协同优化的W-Ni-Fe合金微观结构调控策略及其强塑性协同提升机制研究

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：A strategy for optimizing microstructure to simultaneously improve the strength and plasticity of W-Ni-Fe alloy

本研究针对传统烧结W-Ni-Fe合金存在的强度与塑性难以兼顾的瓶颈问题，通过创新性地结合原位冷冻干燥与液相烧结技术，成功实现了93W-4.9Ni-2.1Fe合金微观结构的精准调控。研究结果表明，该方法可获得超细W晶粒（28.3μm）、低W-W连通度（CW-W=0.31）和适宜γ相体积分数（20.2%）的协同优化，最终使合金同时具备高抗拉强度（1010 MPa）和高延伸率（31%），为两相合金体系的设计提供了新思路。

　　

在航空航天、军事防护和先进制造领域，钨重合金（WHA）因其高密度和优异性能成为不可替代的关键材料。其中W-Ni-Fe合金更被广泛应用于动能穿甲弹芯、导弹配重件、电磁炮弹丸及抗X射线屏蔽材料等极端工况场景。然而随着服役环境的日益严苛，传统合金暴露出明显的性能短板——强度提升往往以牺牲塑性为代价，这种强度/塑性的"跷跷板效应"严重制约了其进一步发展。

究其根源，这种性能不匹配源于合金微观组织的兼容性不足。现有工艺改进策略如添加第二相（Y₂O₃、ZrC等）或引入固溶元素（Mo、Re等）虽能提升强度，却会导致γ相（Ni-Fe基粘结相）分布不均或体积分数降低，反而恶化塑性。而新兴烧结技术（放电等离子烧结、热等静压等）虽在其他合金体系中效果显著，但在W-Ni-Fe体系中进行低温烧结（<1465℃）会抑制γ相析出与网络形成，高温烧结（>1500℃）又引发W晶粒异常长大，均难以实现强塑性协同提升。这种两难境地使得传统合金始终无法同时获得超细W晶粒、低W-W连通度和适宜γ相体积分数这三个关键微观特征。

为突破这一瓶颈，天津大学马宗青团队创新性地将冷冻干燥技术与液相烧结工艺相结合，开发出了一种微观结构优化新策略。该研究通过快速液氮预冻结与真空低温升华干燥的协同作用，使溶质在冰晶模板中原位自沉淀，成功制备出粒径仅202±69纳米的复合粉末。这种纳米粉末不仅具有高烧结活性，其巨大比表面积还显著增强了毛细管渗透效应，为后续微观结构调控奠定了坚实基础。

关键技术方法包括：采用冷冻干燥法制备W-Ni-Fe复合粉末，通过控制预冻结速率和升华温度确保粉末分散性；运用经典液相烧结工艺（1480℃/1.5h/H₂氛围）进行致密化处理；结合X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等表征手段分析微观结构；通过维氏硬度计和电子背散射衍射等技术定量评估力学性能与变形机制。

3.1 物相分析

冷冻干燥制备的复合粉末呈现W与γ-(Ni,Fe)两相固溶结构，而球磨粉末仅为机械混合状态。这种预溶解特性使冷冻干燥粉末在烧结过程中更易形成均匀的γ相分布，XRD图谱显示γ相峰位左移证实了W原子在γ-FeNi基体中的显著固溶。

3.2 微观结构

烧结后合金的微观结构呈现出显著差异：冷冻干燥样品W晶粒尺寸（28.3±11.9μm）明显细于球磨样品（34.7±14.1μm），γ相体积分数（20.0% vs 12.2%）和W-W连通度（0.31 vs 0.44）也得到优化。更重要的是，冷冻干燥样品相对密度高达99.2%，远优于球磨样品的95.3%，这归因于纳米粉末缩短了物质迁移路径并加速了致密化进程。

3.3 力学性能

拉伸测试结果表明，冷冻干燥合金实现了强度（1010±10 MPa）与塑性（31.2±0.8%）的完美匹配，而球磨合金仅获得920±7 MPa强度和24.6±0.6%延伸率。硬度测试显示两者相当（366±18 HV_0.2 vs 377±16 HV_0.2），表明冷冻干燥工艺在提升塑性的同时并未牺牲硬度。与文献报道的93W-Ni-Fe合金相比，该研究首次在超过1000 MPa强度水平上实现了30%以上的延伸率。

断口分析揭示出四类断裂模式：W解理（WC）、W-W沿晶断裂（WF）、γ相撕裂（γR）和W-γ相界面分离（W/γD）。统计显示冷冻干燥样品的WC比例显著增加至50%，而WF比例降至14%，证明其裂纹更倾向于穿过W晶粒而非沿弱界面扩展，间接证实了界面强度的提升。

4.1 初始微观结构演化

冷冻干燥合金的优异性能源于其纳米粉末特性带来的快速致密化与晶粒长大抑制的双重效应。根据毛细管渗透模型，纳米尺度粉末减小了孔隙半径，预溶解的W原子降低了液相粘度，协同加速了致密化过程。同时，奥斯特瓦尔德熟化动力学分析表明，尽管高W溶解度会促进晶粒长大，但高γ相体积分数（f^1/3）的抑制作用更为显著，最终实现了晶粒细化。

4.2 变形微观结构演化

EBSD分析表明，冷冻干燥合金的γ相在变形过程中承担了主要塑性应变，其几何必须位错（GND）密度（9.42×10¹⁴ m^-2）接近W相（5.23×10¹⁴ m^-2）的两倍。这种应变分配效应使γ相能够通过独特的裂纹桥接机制延缓断裂，γ相体积分数从变形前的20.0%降至断口附近的12.7%，证实了其优异的塑性流动能力。

4.3 微观结构与性能关联机制

研究建立了三维性能关系图，将合金性能区域划分为低γ相体积分数区（蓝区）、高W-W连通度区（紫区）和粗晶区（橙区）。冷冻干燥合金通过超低C_W-W最大化塑性参数V_M(1-C_W-W)，同时利用晶粒细化补偿强度损失，成功规避了三个性能洼地区域。

4.4 强化机制

通过构建本构模型，定量解析了四种强化机制的贡献：晶格摩擦应力（338.0 MPa）、细晶强化（148.5 MPa）、固溶强化（34.7 MPa）和位错强化（603 MPa）。泰勒硬化模型计算显示，冷冻干燥合金更高的GND密度是其强度优势的主要来源，其中W相承担了主要载荷（529.3 MPa），而γ相强化（73.9 MPa）则支撑了塑性提升。

4.5 韧化机制

塑性模型ε=K₁V_M(1-C_W-W)+K₂表明，高γ相体积分数与低W-W连通度的协同作用是实现高塑性的关键。冷冻干燥合金的γ相网络能够有效桥接裂纹并钝化裂纹尖端，其裂纹扩展路径统计证实了WF比例的大幅降低。

该研究通过冷冻干燥与液相烧结的巧妙结合，成功破解了W-Ni-Fe合金强塑性难以兼顾的行业难题。所制备的合金同时具备超细W晶粒（28.3μm）、低W-W连通度（0.31）和适宜γ相体积分数（20.2%）等理想微观特征，最终实现了1010 MPa强度与31%延伸率的优异匹配。这项研究不仅为钨重合金的性能优化提供了新范式，其微观结构调控策略对类似两相合金体系也具有重要借鉴意义。论文中建立的微观结构-性能关联模型和定量强化机制分析，为未来高性能合金的设计提供了理论依据和实验支撑。