科學(xué)家研發(fā)出一種超高強(qiáng)塑性鎢高熵合金

鎢合金因具有高密度、高強(qiáng)高硬、抗輻照等一系列優(yōu)異性能，已成為國(guó)防、航空航天、核能等領(lǐng)域不可替代的關(guān)鍵材料。隨著這些高技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展和服役環(huán)境的復(fù)雜與極端化，對(duì)鎢合金的強(qiáng)韌塑性等性能提出越來(lái)越苛刻要求，突破材料固有的強(qiáng)度-塑性互斥(trade-off)，發(fā)展強(qiáng)度2GPa量級(jí)同時(shí)兼具良好拉伸塑性的超高強(qiáng)鎢合金是當(dāng)前亟待解決的挑戰(zhàn)性難題。

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所戴蘭宏研究團(tuán)隊(duì)在前期的相關(guān)研究中，研發(fā)了一種具有剪切自銳(self-sharpening)特性的鎢高熵合金，首次在鑄態(tài)鎢合金中實(shí)現(xiàn)了自銳性的突破，使高速穿甲侵徹能力獲得顯著提高(Acta Mater, 2020, 186: 257-266)。近期，力學(xué)所戴蘭宏研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合加州大學(xué)伯克利分校、北京航空航天大學(xué)、香港理工大學(xué)和香港城市大學(xué)，在超高強(qiáng)鎢高熵合金的研究中又取得了重要進(jìn)展。研究人員提出了一種逐級(jí)可控有序納米沉淀強(qiáng)韌化的新策略，在高溫(900℃)和中溫(650℃)分級(jí)時(shí)效，成功實(shí)現(xiàn)了納米片層狀δ相和納米顆粒狀γ"相差異性可控的雙共格納米沉淀相析出(圖1-2)，使所制備鎢高熵合金材料具有2.15GPa的超高室溫強(qiáng)度和15%的拉伸塑性(圖3)。同時(shí)，該鎢高熵合金在800℃高溫環(huán)境下仍可保持1GPa以上的高屈服強(qiáng)度(圖4)。與已報(bào)道相關(guān)鎢合金和難熔高熵合金相比，所研制鎢高熵合金強(qiáng)塑性在國(guó)際上處于最優(yōu)水平。研究人員對(duì)不同拉伸變形階段的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)表征分析，揭示位錯(cuò)滑移切過(guò)兩種共格沉淀相并保持完美的共格結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)材料晶體結(jié)構(gòu)切過(guò)而不斷，是該合金材料具有超高強(qiáng)塑性的主要原因。位錯(cuò)切過(guò)δ片層沉淀后，片層出現(xiàn)了顯著的局部高應(yīng)變，同時(shí)保持了晶體結(jié)構(gòu)連續(xù)(圖5)，有效釋放由位錯(cuò)塞積產(chǎn)生的應(yīng)力集中，避免了裂紋提前萌生誘致的脆性破壞。位錯(cuò)切過(guò)共格γ"沉淀后，發(fā)生共格強(qiáng)化和有序強(qiáng)化，使材料強(qiáng)度進(jìn)一步提高(圖6)。兩種不同形態(tài)納米沉淀相的協(xié)同強(qiáng)韌化，實(shí)現(xiàn)了該合金強(qiáng)度和塑性的同步提升。逐級(jí)可控的沉淀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了鎢高熵合金的超高強(qiáng)塑性，為高性能先進(jìn)合金材料研發(fā)提供了新的思路。

該研究成果近期以Ultra-strong tungsten refractory high entropy alloy via stepwise controllable coherent nanoprecipitations為題發(fā)表在Nature Communications, 2023, 14, 3006，博士生李統(tǒng)為論文第一作者。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金無(wú)序合金的塑性流動(dòng)與強(qiáng)韌化機(jī)理重大項(xiàng)目、非線性力學(xué)的多尺度問(wèn)題基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院B類(lèi)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)等資助。(來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所)

圖1. 逐級(jí)可控沉淀結(jié)構(gòu)演變。a-c為結(jié)構(gòu)演變示意圖，d和c為相應(yīng)階段EBSD結(jié)構(gòu)表征，f-i為相應(yīng)TEM結(jié)構(gòu)表征。

圖2. 差異性雙相共格沉淀與基體的晶體學(xué)關(guān)系及元素分布。a和b分別為δ和γ"沉淀球差矯正TEM結(jié)構(gòu)分析，c和d分別為δ和γ"沉淀元素分布3維原子探針(3D-APT)分析，e和f分別為相應(yīng)一維元素分布。

圖3. 室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能及與其他金屬對(duì)比

圖4. 高溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能及與其他金屬對(duì)比

圖5. 位錯(cuò)切過(guò)δ片層后晶格連續(xù)TEM結(jié)構(gòu)表征

圖6. 位錯(cuò)切過(guò)γ"共格沉淀TEM結(jié)構(gòu)表征

作者：李統(tǒng)等 來(lái)源：《自然—通訊》