电子束丝材沉积制备的Mo-14Re管的晶体学取向、冶金缺陷与拉伸行为

《Journal of Materials Research and Technology》：Crystallographic orientation, metallurgical defects and tensile behavior of Mo-14Re tubes fabricated via electron beam wire deposition

　　

钼（Mo）合金是先进核能系统的有前景的结构材料，然而传统热机械加工在制造高材料利用率的复杂Mo基部件方面受到限制。与其他非真空增材制造技术相比，基于真空的电子束丝材沉积（EBWD）在Mo合金制造方面展现出独特优势。研究人员通过EBWD制备了Mo-14Re圆管，并研究了其晶体学织构、冶金缺陷和室温拉伸变形机制。EBWD沉积管呈柱状组织，沿构建方向（BD）具有混合的<111>和<110>织构，每个柱状域包含大量细晶。由于沿管壁的双向散热，管壁径向出现明显的微观组织不均匀性：内壁和外壁附近晶粒更细、孔隙率更高、几何必需位错（GND）密度更高。主要冶金缺陷包括随机层内孔隙和界面裂纹。孔隙源于杂质元素蒸发产生的气相和局部匙孔塌陷；界面裂纹则是在沉积过程中晶界（GB）杂质偏析引起的弱化与高热应力共同作用下形成。该合金力学性能显著提升，平均极限抗拉强度（UTS）约376 MPa，平均断裂延伸率约13%，较WAAM制备的纯Mo有显著提高。室温塑性变形以{110}<111>滑移系的激活为主导，并辅以次级{112}<111>滑移。这项工作为增材制造Mo-Re合金的微观组织调控和性能优化提供了见解。

**论文解读**

钼（Mo）合金具有高熔点、优异的高温力学稳定性、良好的抗辐照性能和低中子活化等特性，是空间核反应堆和下一代快中子反应堆等先进核能系统的候选结构材料。然而，Mo合金具有体心立方（BCC）晶体结构，滑移系数量有限，导致其韧脆转变温度（DBTT）较高，给传统加工带来巨大挑战。传统的挤压、锻造、轧制等热机械加工路线难以制备复杂结构Mo部件，且流程长、材料利用率低。增材制造（AM）技术为复杂难熔合金部件的近净成形提供了新途径，其中电子束丝材沉积（EBWD）因真空环境相较于非真空AM技术（如WAAM、L-PBF）在抑制孔隙缺陷方面具有独特优势。但目前EBWD研究多集中于钛合金和镍基高温合金，对Mo合金的研究十分有限。通过添加铼（Re）合金化可有效改善Mo合金低温脆性并提高高温稳定性，Mo-14Re合金综合性能优良，是空间核反应堆燃料包壳管的理想候选材料。因此，研究人员采用EBWD制备了Mo-14Re圆管，系统研究了其晶体学织构、冶金缺陷和室温拉伸变形机制，旨在阐明非稳态热循环下的取向特征、典型缺陷形成机理以及塑性变形机制。

**研究方法概述**

本研究使用纯度>99.95 wt.%的Mo和Re粉末经混粉、压制、烧结制成直径约20 mm的烧结坯，再加工成直径1.2 mm的Mo-14Re合金丝材。通过热阴极EBWD系统在舱压<2.5×10^-2 Pa下以纯Mo板为基板，沿单道环形路径逐层沉积得到内径约10 mm、外径约30 mm的圆管，工艺参数为加速电压50 kV、束流约90 mA、送丝速度约22 mm/s。采用电子背散射衍射（EBSD）进行大范围（步长10 μm）和精细（步长0.05 μm）表征，分析织构、晶粒尺寸、晶界（GB）取向差和几何必需位错（GND）密度；室温拉伸试验在万能试验机上进行，试样沿构建方向（BD）截取，标距14 mm、宽4 mm、厚1.5 mm，拉伸速度1 mm/min，重复6次。

**3.1 构建方向和径向的取向与微观组织各向异性特征**

**3.1.1 沿构建方向的择优晶体学取向**：EBSD分析显示，EBWD沉积态Mo-14Re管沿BD呈柱状组织，柱状域平均宽度608 μm，最大1.56 mm。纵截面Z方向IPF图及相应的IPF图、极图（PF）表明<111>取向强度最高，<110>次之。取向分布函数（ODF）定量分析显示，<110>∥BD织构的MRD值为4.65，体积分数19.1%；<111>∥BD织构的MRD值为7.81，体积分数30.2%，即主织构为<111>∥BD，次织构为<110>∥BD。与BD垂直的X、Y方向无明显强织构，说明沉积态在垂直于BD的平面内不存在显著择优取向。

**3.1.2 沿径向的微观组织特征**：对比内壁、中壁和外壁三个区域，内壁和外壁晶粒更细（平均3.5 μm和4.4 μm），中壁较粗（13.4 μm）；孔隙率内壁和外壁分别为6.14%和6.45%，中壁仅1.8%；GND密度内壁和外壁分别为22.7×10¹⁴ m^-2和21.6×10¹⁴ m^-2，中壁为15.2×10¹⁴ m^-2。这种径向不均匀性由管状结构导致的双向散热控制，内、外壁冷却速率高，引起晶粒细化、孔隙截留和热应力累积。

**3.2 典型冶金缺陷**

**3.2.1 孔隙缺陷**：纵截面和横截面均观察到毫米级和微米级孔隙，孔隙随机分布，平均球形度0.86，长径比1.21，属于层内孔隙。形成机制包括杂质元素（如Al、Mg、Zn、Cu等）蒸发产生的气相在快速凝固时被截留，以及局部过热引起匙孔塌陷。由于孔隙近球形且随机分布，排除了未熔合（LoF）机理。

**3.2.2 裂纹缺陷**：裂纹分为界面裂纹和非界面裂纹。界面裂纹沿