硼掺杂钼合金固溶轧制板的微观结构演变与强化机制研究

为解决钼合金在室温下强度低(<500 MPa)、塑性差(延伸率<7%)及热加工氧化敏感等问题，西安研究人员通过粉末冶金与轧制工艺制备硼掺杂钼合金，系统研究其微观结构与力学性能。结果表明，1.0%B掺杂使轧态合金晶粒尺寸降至7.12 μm(降幅42.6%)，抗拉强度达1016.6 MPa(较纯钼提升10.9%)，延伸率提升至8.6%。通过建立定量强化模型，阐明Mo-B固溶强化、位错强化与晶界强化的协同机制，为高性能钼合金设计提供理论依据。

　　

钼作为战略级难熔金属，在航空航天、核反应堆等极端环境应用中具有不可替代性，但其室温脆性和强度不足长期制约工程化应用。传统研究认为，氧(O)、氮(N)等杂质原子在晶界的偏析是导致钼脆化的主因，而碳(C)和硼(B)却能增强晶界结合力。特别是硼，其原子半径(0.87 ?)与钼形成强共价键，不仅能消耗晶界氧原子，还能促进穿晶断裂，降低韧脆转变温度(DBTT)。然而，现有研究多局限于第一性原理计算，缺乏硼掺杂对钼合金宏观力学性能影响的系统性实验验证，更未建立定量化的强度-结构关系模型。

针对这一科学瓶颈，西安研究人员通过粉末冶金结合固溶轧制工艺，制备了系列硼掺杂钼合金(Mo-1.0B等)。采用电子背散射衍射(EBSD)和力学测试等手段，揭示了硼掺杂对微观结构演变与力学性能的调控规律。研究发现，1.0%B掺杂使轧态合金晶粒尺寸从纯钼的12.41 μm降至7.12 μm，抗拉强度突破1000 MPa大关，达到1016.6 MPa，延伸率同步提升至8.6%。经1200℃退火后，该合金仍保持532.5 MPa的强度和67.4%的超高延伸率，显著优于纯钼(505.3 MPa, 46.9%)。通过建立包含位错密度(ρ)、固溶强化系数(K_SS
)和霍尔-佩奇常数(k_HP
)的定量模型，首次阐明Mo-B合金中三种强化机制的贡献占比：晶界强化(54.2%) > 位错强化(32.1%) > 固溶强化(13.7%)。

关键技术方法包括：(1)采用两段式还原法制备硼掺杂钼粉体；(2)通过EBSD分析晶粒取向与再结晶行为；(3)结合纳米压痕与拉伸测试量化力学性能；(4)基于第一性原理计算Mo-B键合特性；(5)建立多尺度强化模型解析强度-结构关系。

【材料与制备】
使用平均粒径4.10 μm的二氧化钼(MoO₂
)与4.03 μm非晶硼粉，通过固态掺杂工艺制备前驱体。SEM-EDS证实硼元素在钼基体中均匀分布，无局部偏聚。

【粉末微观结构】
高倍SEM显示硼掺杂导致钼粉表面形成纳米级凸起(50-100 nm)，XRD证实硼固溶引起晶格畸变，使Mo(110)峰向低角度偏移0.12°。

【工作函数测定】
通过紫外光电子能谱(UPS)测得Mo-1.0B的功函数(Φ)为4.82 eV，较纯钼(4.65 eV)提升3.7%，表明硼掺杂增强了电子逸出势垒，与DFT计算的d带中心偏移(-0.8 eV)相符。

【结论】
(1)硼固溶引起晶格畸变，成功制备出固溶强化钼合金；(2)1.0%B使轧态晶粒尺寸降低至3.16 μm(降幅69.3%)；(3)硼抑制再结晶进程，使再结晶温度提升约150℃；(4)建立的强度模型为：σ_y
=σ₀
+K_SS
C_B
^1/2
+αGbρ^1/2
+k_HP
d^-1/2
，其中晶界强化贡献超50%。

该研究发表于《Journal of Alloys and Compounds》，首次通过实验证实硼掺杂可实现钼合金强度-塑性的协同提升，建立的定量模型为新型耐高温结构材料设计提供了理论框架。特别值得注意的是，Mo-1.0B合金在保持航空航天材料所需的高强度(>1000 MPa)同时，延伸率突破传统钼合金的"5%瓶颈"，这对推动钼在可重复使用航天器热防护系统中的应用具有里程碑意义。