改善鎢延展性的方法

位於美國猶他州鹽湖城的猶他大學的研究人員進行的一項研究介紹了改善鎢延展性的方法。一般認為，純鎢和添加少量合金的鎢合金在室溫下是呈脆性的，且具有較高的延性-脆性轉變溫度（ductile-to-brittle transition temperatures, DBTT）。改善鎢的延展性對鎢製造和應用的範圍產生具有重要意義。

儘管幾十年來，在改善鎢的延展性方面已經有了大量的研究報告，但這仍然是一個挑戰，部分歸因於對鎢的機械性能及其對微觀結構的依賴性的理解還不夠。

鎢與錸的合金化基本上是唯一已知的通過合金化提高鎢的延展性的方法。儘管近年來有大量關於添加劑效果的研究報告，包括氧化物、碳化物和其他，但到目前為止，這些添加劑對鎢的延展性的影響還沒有定論，或者說在熱機械加工的影響下，這些添加劑的影響並不明顯。使用超細顆粒或納米晶體的微結構來提高鎢的延展性是另一種看起來頗具前途的方法。

鎢是一種具有獨特性能的難熔金屬，在所有元素中熔點最高，彈性模量高，密度大，熱導率高，在高溫下具有優良的機械性能。這些特殊的性能使鎢成為許多應用的首選材料。近年來，由於鎢的高熔點、低濺射率和高等離子體濺射耐蝕性，鎢也被確定為聚變反應堆中等離子體面部件的材料之一。

然而，鎢的一個主要缺點是它在室溫下幾乎沒有延展性，而且其延展性-脆性轉變溫度（DBTT）很高。鎢的不良延展性對其可加工性和其在苛刻應用中的性能都造成了巨大挑戰。

為了提高延展性，研究人員認為，有兩個主要的促成因素：內在的缺乏緊密堆積的平面和晶界的內聚力差。在各種方法中，熱機械加工已被發現是最有效的方法。在低於再結晶溫度的溫度下進行軋製，可以將鎢的DBTT從700℃以上降低到300℃以下。有幾個主要因素促成了變形鎢延展性的改善，包括軋製後的層狀微結構和高位錯密度。

為了儘量減少高溫加工過程中的再結晶，基於傳統變形技術的冷加工也被用來提高鎢的延展性。由於鎢的再結晶溫度非常高，“冷”加工可以進行到約1400℃。通過這樣可以防止鎢在變形過程中的再結晶和晶粒增長，從而在材料中形成更精細的層狀微結構和更高的位元錯密度。

與高溫軋製材料相比，在400℃下冷軋的鎢顯示出增加的位元錯密度，更多的低角度晶界，以及強度的明顯改善，以及更低的DBTT。

另一個著名的改善鎢的延展性的方法是與錸合金化。據報導，鎢的Peierls應力可以減少，並且通過所謂的溶液軟化形成鎢和錸的固溶體，可以促進額外的滑移面。然而，錸是一種高成本的稀有元素，使這些合金在許多應用中變得過於昂貴。大量的研究工作被指向用鉭、釩、鈦或其他元素代替錸，以達到類似的結果。

然而，到目前為止，還沒有什麼實驗證據證明這些合金元素的有效性。近年來，基於金屬和陶瓷的研究進展，納米晶或超細粒結構已被探索為改善鎢的延展性的一種方法。為了生產納米晶或超細顆粒的鎢，人們研究了自上而下和自下而上的方法。

自上而下的方法是指通過熱機械手段，如軋製、擠壓和嚴重的塑性變形技術來細化晶粒尺寸。自下而上的方法指的是粉末冶金工藝，在此過程中，納米級鎢粉被壓實和燒結，以獲得具有超細顆粒微觀結構的完全或接近完全緻密的鎢塊材。

在這項研究中提及的：再結晶、恢復和晶粒粗化一般會增加鎢的DBTT，但位錯移動性是改善鎢基合金延展性的根本。這一部分將側重於對位錯移動性有直接影響的合金添加物和雜質（如鎢錸合金）的影響，此外還有影響鎢的微觀結構和位元錯結構的合金添加物和添加劑。

總而言之，再結晶、恢復和晶粒粗化一般會增加鎢的DBTT，但位錯移動性是改善鎢延展性延展性的根本。與Re的合金化是鎢通過合金化改善延展性的唯一被證實的可靠方法。然而，這種元素的低可用性和高成本抑制了其應用。在鎢與其他元素的合金化方面，也已取得較大成果。

• < 前一頁
• 下一個 >