近日，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所研究員方前鋒課題組在納米結(jié)構(gòu)鎢基合金研制方面取得新進展，通過壓力輔助低溫致密化燒結(jié)法成功制備出高強度雙納米結(jié)構(gòu)鎢材料。相關(guān)工作發(fā)表在International Journal of Refractory metals and Hard Materials雜志上。

鎢基合金被認為是最有潛力的能夠應(yīng)用于聚變反應(yīng)堆極端環(huán)境的面向等離子體第一壁材料，但商業(yè)純鎢的脆性極大地限制了其應(yīng)用。氧化物彌散強化(ODS)是改善鎢基合金韌性的有效途徑之一，但目前的ODS-W中氧化物顆粒尺寸較大，達不到理想的強韌化效果。針對這一問題，研究人員借鑒ODS-Fe中采用固溶-沉淀機制將氧化物顆粒尺寸控制在3nm以下的經(jīng)驗，通過壓力輔助低溫致密化燒結(jié)的辦法成功制備了雙納米結(jié)構(gòu)鎢材料：W晶粒尺寸~67 nm和Y2Ti2O7氧化物顆粒尺寸~ 10 nm。

研究人員首先通過高能球磨將Y2O3和Ti“固溶”到W基體中，然后采用放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)對高能球磨后的W-1.0%Y2O3-0.7%Ti粉體進行致密化燒結(jié)，通過嚴格控制燒結(jié)溫度使得納米尺度Y2Ti2O7顆粒析出，并均勻彌散分布于鎢基體中，這些細小的第二相納米顆粒抑制鎢晶粒長大，最終實現(xiàn)雙納米結(jié)構(gòu)W-1.0%Y2O3-0.7%Ti塊體合金材料的制備。XRD和TEM結(jié)果顯示，W晶粒的平均尺寸為67nm，氧化物顆粒在晶內(nèi)和晶界的平均粒徑分別為8.5 nm和16.4 nm，如圖所示。這種納米結(jié)構(gòu)的W合金的顯微維氏硬度高達1441 Hv，是文獻報道的普通W合金的2-3倍。極高的顯微硬度，來源于納米級W晶粒和均勻分散的納米氧化物顆粒的協(xié)同強化作用。這種固溶-析出過程為通過可控方式分散納米級氧化物制備納米晶難熔金屬提供了一條通用途徑。