氧化锆弥散强化钨合金双峰组织设计与断裂行为研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Investigation of bimodal microstructure design and fracture behavior in ZrO 2 dispersion-strengthened tungsten alloys

　　**摘要**本研究通过纳米级ZrO₂抑制晶粒长大与粗细钨粉分级配比的协同效应，设计了一种双峰晶粒W-ZrO₂合金。系统研究了其微观结构演变与断裂行为。采用湿化学法结合氢还原法制备了不同ZrO₂含量的W合金粉末。其中，含1.0 wt.% ZrO₂的粉末平均粒径最小（22.6 nm），表明适量的ZrO₂含量可促进异质形核和晶粒细化。为构建双峰结构，引入粗钨粉，并通过模具压制后在2300 ℃下氢气氛烧结制备致密合金。微观组织表征表明，均匀分布在细晶区域的ZrO₂颗粒能有效钉扎晶界、抑制晶粒长大，而过量的粗颗粒则会削弱该效应，导致异常晶粒粗化。拉伸试验表明，双峰结构显著改善了W-ZrO₂合金的强塑性协同效应。含1.0 wt.% ZrO₂的试样表现最优，在400 ℃下抗拉强度达到633.56±23.19 MPa，比单峰结构合金高约19.5%，同时保持较高的延伸率。其力学性能的增强源于异质变形诱导的回应力和几何必需位错（GNDs）的累积，促进了裂纹偏转并提高了裂纹扩展抗力。这些发现为开发适用于聚变相关环境的抗损伤钨合金提供了有效的微观结构设计策略。---**引言**氧化物/碳化物弥散强化钨合金（ODS/CDS-W）通过反应性元素（如ZrC、TiO₂、Y₂O₃）的细小、稳定氧化物或碳化物颗粒进行强化，这些颗粒均匀分布在钨基体中。这些颗粒能有效细化钨的晶粒，从而改善力学性能。ODS/CDS-W具有优异的高温强度和出色的抗辐照性能，其再结晶温度显著高于纯钨，是未来核聚变反应堆的关键候选材料。然而，ODS/CDS-W与纯钨存在类似的缺点，如低温脆性和再结晶脆化，这严重限制了其在涉及高热流、高能等离子体轰击和中子辐照等极端条件下的长期服役。为应对这些挑战，研究越来越关注ODS/CDS-W强塑性协同和热稳定性的提升。Re固溶强化与第二相颗粒弥散强化的协同效应已被广泛应用于钨基材料中，如W-Re-ZrC[1]、W-Re-HfC[2,3]、W-Re-ThO₂[4]和W-Re-Y₂O₃[5]。Re可改善钨在低温下的位错核心和螺型位错的运动能力[6]，而纳米级ZrC颗粒可在高温下稳定小角晶界和位错结构，从而抑制W-Re-ZrC合金中的再结晶脆化[7]。Y₂O₃可抑制低能高通量He?辐照下钨表面毛刺结构的形成，从而增强氦辐照抗力[8]。然而，Re在聚变环境中易发生嬗变反应，且其添加显著增加了钨合金的成本；因此，Re合金化不适用于等离子体面向材料的设计。近年来，剧烈塑性变形（SPD）技术被广泛应用于高性能钨合金的制备[9,10]。SPD引入大量亚结构和高位错密度，显著提升了强度和塑性[11]。Matthew J. Lloyd等人[12]通过热冷轧轧制获得了减薄率达92%的钨板材。高变形量诱导了密集位错结构和亚晶，使材料在室温下表现出屈服强度为1.82±0.01 GPa的塑性。在其他SPD方法中，有报道称对W-ZrO₂合金进行旋压加工可获得比烧结态更细的晶粒和更好的力学性能[13]。然而，钨固有的低温脆性和再结晶脆化显著增加了SPD工艺的加工成本，从而限制了其工程应用。因此，当前研究强调在保持优异材料性能的同时，采用低成本、高效率的加工路线。双峰晶粒结构是实现强塑性协同的有效微观结构设计策略，其制备路线相对简单且成本效益较高。具有双峰晶粒结构的材料通常表现出优于均匀组织的力学性能，其中粗晶提供塑性，细晶贡献强度[14]。然而，关于双峰晶粒钨合金的报道仍有限，多数研究聚焦于难熔高熵合金。Shen等人[15]首次系统地阐述了热锻过程中形成的双峰晶粒结构对纯钨性能的影响。其研究发现，粗晶区域增强了钨的高温稳定性，而细晶区域提高了其强度。然而，热锻形成的双峰晶粒结构纯钨的塑性较差，低于热轧纯钨。最近发现，双峰晶粒Cr-W合金表现出优于单相Cr和W合金的高温强度和塑性[16]。在这些体系中，通过放电等离子烧结（SPS）处理的Cr-W核壳粉末形成了自组织的核壳微观结构，其中粗Cr晶粒作为核，细W晶粒形成壳层。细W网络增强了裂纹扩展抗力，而粗Cr晶粒贡献了更好的塑性。本研究利用ZrO₂颗粒的晶界钉扎效应抑制晶粒长大，结合粗钨颗粒在无第二相颗粒时的异常晶粒长大行为，设计并制备了一种新型双峰晶粒W-ZrO₂合金。为突出双峰晶粒W-ZrO₂合金的力学性能，以纳米级W-ZrO₂粉末烧结的致密材料作为参照。结果表明，双峰晶粒结构有效提高了W-ZrO₂合金的强度，增加了裂纹扩展路径，从而提高了裂纹扩展抗力。---**样品制备**以仲钨酸铵（APT，纯度≥99.5%）、硝酸锆（Zr(NO₃)₄·5H₂O，纯度≥99.5%）和草酸为原料。将这些原料溶解于去离子水中，在油浴加热条件下进行化学反应。经干燥和研磨后，获得不同Zr含量的W-Zr前驱体粉末。随后，在900 ℃氢气氛中还原2小时，制备得到W-0.5 wt.%ZrO₂、W-1.0 wt.%ZrO₂和W-2.0 wt.%ZrO₂粉末。**粉末表征**图2展示了不同Zr含量W-Zr前驱体及对应还原粉末的X射线衍射（XRD）图谱。前驱体粉末通过湿化学法合成。衍射数据分析表明，前驱体中含Zr相为Zr(OH)₃NO₃，尽管其衍射峰强度较低。在所有三种前驱体粉末中，钨以WO₃形式存在，由H₂热分解形成。---**结论**本研究通过湿化学法结合氢还原工艺，成功合成了纳米级W-ZrO₂复合粉末。采用粗、细钨粉粒径分级策略并结合ZrO₂颗粒的晶界钉扎效应，成功制备了双峰晶粒结构W-ZrO₂合金。系统研究了双峰晶粒钨合金的微观组织和力学性能，以及其……---**作者贡献声明（CRediT）****刘震：** 调查研究。**李明阳：** 方法学。**卢有军：** 调查研究。**罗来马：** 撰写——审阅与编辑。**罗来马：** 撰写——审阅与编辑。**叶伟：** 撰写——原始草稿。---**利益冲突声明**作者声明不存在竞争性的经济利益。---**致谢**本工作得到国家自然科学基金（92475116和U25A20281）、安徽省重点研发计划（202523j08050002）和海兰山实验室重点研发计划（HLS-2025-PDJH-003）的资助。**利益冲突**作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。---**叶伟 | 刘震 | 李明阳 | 卢有军 | 罗来马**合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009，中国