“鎢及鎢合金專題”內容簡介

專題主持：劉文勝教授

    鎢材料具有密度高、熔點高、硬度高、高溫強度和抗蠕變性能優(yōu)異等特性，是國家重大工程和武器裝備發(fā)展亟需的關鍵材料，廣泛用于核聚變堆、衛(wèi)星、飛行器、發(fā)動機等極端服役環(huán)境領域。隨著前沿科學技術的不斷發(fā)展，服役環(huán)境變得更加苛刻，對鎢材料的性能提出了更高要求。同時，在高溫、高壓、高應變率、強輻照、強腐蝕等極端環(huán)境下，鎢材料的組織結構演變和失效模式均不同于常態(tài)，研究鎢材料在極端條件下的響應規(guī)律，是理解和提高其極端環(huán)境服役性能的關鍵。中南大學劉文勝教授團隊在黃伯云院士指導下，瞄準鎢材料發(fā)展的國家重大需求和最新前沿動態(tài)，開展鎢材料基礎與應用基礎研究。基于近期在鎢材料設計制備和極端環(huán)境服役行為等方面取得的研究進展，組織策劃了7篇論文形成本專題。

    針對鎢的本征脆性問題，論文《X含量對W-X合金微觀組織與性能的影響》研究了X元素添加對鎢韌性改善的作用機制。X的加入改變了鎢的變形機制，從螺位錯的滑移機制向刃位錯和螺位錯的混合滑移機制轉變。隨著X含量的增加，W-X合金壓縮強度呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，當X的質量分數(shù)為30%時，合金壓縮強度為2044 MPa，斷裂應變?yōu)?4%。該研究工作對鎢材料的強韌性提升具有重要的理論與技術指導意義。

    針對(超)高速裝備對高性能鎢合金及其大尺寸異形結構件的迫切需求，開展了新型鎢合金體系設計、鎢/鋼層狀復合材料制備等研究。論文《銅對熱等靜壓鎢合金微觀組織和力學性能的影響》探討了熱等靜壓低溫液相燒結90W-Ni-Fe-Cu合金體系的優(yōu)化設計。在(1350 ℃, 150 MPa, 3 h)的熱等靜壓工藝下，隨著Cu含量增加，合金燒結方式由固相燒結向液相燒結轉變，拉伸強度和伸長率均呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，90W-4.2Ni-1.8Fe-4Cu合金拉伸強度達953 MPa。論文《Ti/Ni復合中間層擴散連接鎢與鋼接頭的斷裂行為》和《粉末冶金共燒結制備90W-7Ni-3Fe/30CrMnSiNi2A結構復合材料組織性能研究》分別開展了固態(tài)擴散連接和粉末冶金共燒結制備鎢/鋼層狀復合材料的研究。前者采用Ti/Ni復合中間層擴散連接制備了高界面結合強度的鎢/鋼層狀復合材料，在拉伸載荷作用下，復合材料呈現(xiàn)出界面斷裂、反應層斷裂和混合斷裂3種斷裂模式，其界面性能受界面金屬間化合物和殘余應力共同控制。后者采用粉末冶金共燒結制備了組織均勻致密、具有良好界面結合的90W-7Ni-3Fe/ 30CrMnSiNi2A鋼層狀復合材料，在1350 ℃的共燒結溫度下，共燒結界面形成厚度為50 μm的復雜立方結構Fe₆W₆C金屬間化合物層；在拉伸載荷作用下，復合材料呈現(xiàn)Fe₆W₆C層及Fe₆W₆C/W界面的混合斷裂模式。這三項研究工作對新型鎢合金及其層狀復合材料的成分與結構設計、大尺寸異種材料結構件的粉末冶金共燒結制備提供理論和技術支撐。

    聚焦鎢材料在高溫、高壓、高應變率下的組織結構演變和服役行為，論文《90W-Ni-Fe合金在應變率6000 s^-1下不同應變的微觀組織特征》開展了鎢合金在動態(tài)沖擊載荷下的塑性變形和斷裂失效行為研究，采用應變限位環(huán)方法描述90W-Ni-Fe合金在應變率6000 s^-1下的動態(tài)變形過程。當應變低于0.25時，鎢顆粒發(fā)生均勻塑性變形，位錯滑移為主要變形機制；當應變達到0.45時，鎢顆粒發(fā)生動態(tài)回復，形成板條狀亞晶；當應變達到0.6時，鎢顆粒發(fā)生絕熱剪切變形和動態(tài)再結晶；隨著應變的繼續(xù)增加，微裂紋在剪切帶內形核和擴展，導致合金斷裂失效。論文《鎢對稱傾斜晶界的分子動力學計算模擬研究》和《鎢動態(tài)回復過程的相場模型建立及其仿真模擬》分別采用分子動力學和相場法開展了服役過程中鎢合金組織結構演變的模擬研究。基于鎢的對稱傾斜晶界的結構特點，建立了基于倒易空間陣點的簡易對稱傾斜晶界構建方法，通過分子動力學模擬確定了不同旋轉軸和傾斜角的對稱傾斜晶界結構、界面能和分離功。在此基礎上，通過耦合Estrin-Mecking位錯密度模型，建立了鎢動態(tài)回復微觀組織演變的多相場模型，隨著溫度或應變率提高，多晶鎢動態(tài)回復過程中晶界存在細微移動，致使平均晶粒尺寸增大，動態(tài)回復進程加快。研究工作對理解鎢合金在服役過程中的組織演變和變形機制具有重要的理論和實踐意義，對新型鎢合金的設計與應用拓展具有重要的指導意義。

    本專題7篇論文圍繞鎢材料的本征性能、設計制備及在極端環(huán)境下的服役行為開展工作，研究內容涉及對鎢本征脆性的認知、新型鎢合金體系的設計、鎢/鋼層狀復合材料的制備以及對鎢材料極端環(huán)境服役行為的理解等，對高性能鎢材料的研發(fā)提供理論依據和技術支撐。