韩卫忠教授团队发现低铼合金化难以降低钨的韧脆转变温度

nuliyidian

人造太阳-核聚变能是人类未来能源的终极解决方案。钨（W）因其具有高熔点、高温强度、高导热率、低氢（H/D/T）滞留率和抗辐照损伤等优异的性能，被誉为面向等离子体第一壁的最佳候选材料。然而，过渡金属钨的低温韧性差、韧脆转变温度高，极大地限制了钨的加工和应用。如何克服钨的低温脆性成为以钨为代表的难熔金属研究领域的关键科学难题之一。为此，各国研究者在钨的低温增韧方面开展了一系列的研究工作。长期以来，大量的模拟计算结果表明，铼（Re）合金化可以改变螺位错的三维核心结构，从而促进螺位错双扭折形核，提高螺位错的滑移能力，最终可改善W的变形能力，实现W的低温韧化。因此，Re被认为是提高W变形能力并降低其韧脆转变温度的最佳合金元素。在大量的实验研究中，报道的“Re效应”通常与机械加工（高温轧制等）引入的初始位错、层片结构、晶粒细化等因素混淆在一起，难以澄清单一因素（Re合金化）对W变形能力的影响。因此，Re合金化能否实现低温增韧、降低W的韧脆转变温度，一直缺乏系统的研究和关键的实验证据。

图1：W及W-Re合金的韧脆转变行为

         近日，西安交通大学材料学院韩卫忠教授团队通过冲杆试验（Zhang YH, et al. Acta Materialia 220 (2021) 117332），对再结晶态的W-Re合金进行了系统研究，揭示了其韧脆转变的关键缺陷机制，并阐明了低含量（≤10 wt.%）的Re合金化并不能有效降低W的韧脆转变温度。研究人员发现Re合金化引起的有限韧化仅发生在很窄的低温区间（50°C~200°C）。高温（≥300°C）变形时，W-Re合金的塑性变形能力明显降低，最终导致合金高温韧性下降、韧脆转变温度升高。而且Re含量越高，W-Re合金的韧脆转变温度越高（如图1所示）。通过表面变形形貌的表征发现，相比于纯W的沿晶开裂，Re合金化促进了更多的位错行为，从而增加了W-Re合金的低温韧性，但这一改善非常有限。此外，当变形温度升高到300°C时，W-Re合金中还出现了大量的位错交滑移现象。随着Re含量的增加，交滑移程度越来越剧烈。有趣的是，虽然W-Re合金在高温下发生了大量的位错交滑移，但其变形能力和韧性反而变差了。
        通过进一步的缺陷表征发现，随着温度升高，位错增殖能力的突然增加使得纯W发生了脆韧转变（Lu Y, et al. PNAS118 (2021) e2110596118,Zhang YH, et al. JMST 141 (2023) 193–198）。然而，合金化后，Re元素在高温下促进了螺位错的局部交滑移，从而产生了横跨多个滑移面（三维结构）的超割阶和位错环。这些缺陷结构的密度和分布不仅和Re元素的含量相关，而且还表现出明显的温度依赖性：Re含量和变形温度越高，缺陷的密度越高。
       高密度的三维不可动缺陷（超割阶和位错环）强烈地阻碍了位错的运动，最终导致W-Re合金高温变形能力下降、韧脆转变温度升高。
       相关工作以《揭示钨中的铼效应》（“Unveiling the Intrinsic Rhenium Effect in Tungsten”）为题发表在Acta Materialia264 (2024) 119586。西安交通大学材料学院博士生张雨衡为论文第一作者，韩卫忠教授为论文通讯作者，合作者包括马恩教授和孙军院士。该工作得到了国家自然科学基金委员会优青项目和面上项目的共同资助。
        论文链接：https://authors.elsevier.com/a/1iDTM_UwYsFlBo
        文章来源：西安交通大学
       韩卫忠，西安交通大学教授。1981年4月生，山西省和顺县人。2003年获山西师范大学物理学学士学位，2008年获中国科学院金属研究所工学博士学位。2008年-2010年任澳大利亚莫纳什大学澳洲轻合金中心博士后研究员，2010年-2013年任美国洛斯阿拉莫斯国家实验室极端环境材料研究中心博士后研究员，2014年1月回国加入西安交通大学材料学院，任教授、博导。2015年6月入选西交大青年拔尖人才支持计划, 2016年8月入选陕西省百人计划。目前主持中组部青年计划项目、国家自然科学基金面上项目和西安交通大学青年拔尖人才支持计划等项目。