天大《Nature Commun》：实现高强高塑性氧化物弥散强化合金！

氧化物弥散强化(ODS)合金，具有优异的抗蠕变性能、良好的高温组织稳定性和良好的抗辐照性能，是一类重要的高温应用合金。然而，由于氧化物颗粒容易在金属基体晶界处聚集，其对金属基体力学性能的改善效果有限，这是一个令人头疼的问题。

在此，来自天津大学的马宗青&刘永长等研究者，采用一种独特的内部合成的氧化物@W核壳纳米粉体作为前驱体，制备W基ODS合金。相关论文以题为“Achieving high strength and ductility in ODS-W alloy by employing oxide@W core-shell nanopowder as precursor”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25283-2

对于传统工程结构材料而言，在不牺牲延性的前提下提高其强度或同时提高其强度和延性，是其各种关键应用的关键目标。为此，人们采取了许多策略，如在材料中形成纳米孪晶，获得双峰/多峰晶粒结构，以及引入粒内纳米分散体或梯度结构。其中，纳米分散体的引入由于其广泛的适用性，而引起了广泛的关注，并在许多体系中取得了成功。当第二相纳米弥散体引入带金属基体时，大量的位错将被钉住并积聚在基体晶粒内部，从而提高应变硬化速率，从而获得较高的塑性。此外，这些分散体，还可以通过位错与纳米分散体的相互作用(Orowan loop或颗粒剪切)大大增强基体。特别是，引入第二相弥散体所带来的高温微观结构稳定性，进一步突出了其应用优势。

近几十年来，为了均匀地将理想的第二相弥散体，引入不同的金属基体中，人们发展了非原位和原位方法。原位法引入的纳米分散体或纳米沉淀物，主要通过热机械处理或化学反应合成。因此，它们通常表现出良好的热力学稳定性、细小的尺寸和在金属基体中的均匀分布。结果表明，原位分散增强工程材料，具有良好的力学性能和良好的高温使用能力。原位析出强化的典型合金，包括Cu合金、Al合金和不锈钢等。以Al-Sc二元合金为例，Zr和Er元素的加入普遍促进了抗粗化共格L1₂-Al₃(Sc,Zr, Er)纳米沉淀物的形成。其超细尺寸(3-8 nm)，使其强度从243 MPa显著提高到451 MPa。更重要的是，纳米沉淀物与基体之间的共格界面关系，在提高材料强度的同时，不会破坏材料的延展性。例如，在体心立方(BCC)马氏体基体中析出共格B2纳米颗粒(3-5 nm)，可以得到Fe-17Ni-6.2Al-2.3Mo-0.48Nb-0.37C-0.05B钢，其屈服强度为1.9 GPa，总伸长率为8.2%。因此，超细共格纳米分散体已成为许多合金材料的新宠。

然而，对于一些原位法难以引入第二相弥散体的合金体系，必须普遍采用非原位法。通过粉末冶金和各种铸造技术，纳米陶瓷或金属间化合物颗粒，如氧化物和碳化物，引入金属基体，生产许多具有诱人的物理和机械性能的材料。然而，由于其物理化学性质与基体完全不同，这些非原位纳米陶瓷或金属间化合物颗粒倾向于在金属基体的晶界处聚集和结合，与基体形成半共格或非共格界面，与上述原位共格超细纳米沉淀物相比，它们的强化效果明显减弱。此外，由于变形不相容，这些非原位第二相颗粒与基体之间的半共格或非共格界面容易诱发严重的应力集中，导致材料开裂，进而导致材料延性的降低。因此，对于非原位第二相粒子增强合金体系，如何通过与基体完全晶格相干、超细尺寸、完全晶内分布的原位方法引入这些粒子，已成为进一步开发高性能第二相颗粒强化合金的关键。

此文中，研究者成功地将陶瓷氧化物纳米颗粒均匀分散在金属基体晶粒内，晶间氧化物颗粒完全消失，制备出了高性能氧化物弥散强化合金，即W基ODS合金。经低温烧结和高能锻造后，高密度的氧化物纳米颗粒均匀地分散在W晶粒内，晶间氧化物颗粒完全消失。结果表明，在室温条件下，合金的强度和塑性得到了很大的提高。研究者所采用核壳粉末作为前驱体制备高性能ODS合金的策略，有望应用于其他弥散强化合金体系。

图1 cWY合金的力学性能。

图2 纳米氧化物的TEM和HAADFSTEM图像。

图3 W晶粒的电子背散射衍射表征。

图4 氧化物@W核壳结构复合粉体的XRD、TEM和HAADF STEM图像。

综上所述，研究者通过烧结制备出独特的氧化物@W核壳结构纳米复合粉体，成功制备出高性能氧化物弥散强化W基合金。研究者创新的低温水热法和随后的冷冻干燥法，使氧化物@W核壳纳米粉体的形成成为可能。经过低温烧结和HERF处理后，高密度的氧化物第二相纳米颗粒(1~3nm)均匀地分散在W晶粒内部，其与周围基体有共格界面。此外，还在W基体中引入了细化的等轴亚晶粒。因此，这种层次性组织打破了传统W基ODS合金或纯W在室温下的脆性特征，使制备的合金具有高强度和良好的延展性。更重要的是，该策略可为其它ODS合金系统的强度和延展性设计提供理论指导。（文：水生）