改善钨延展性的方法

位于美国犹他州盐湖城的犹他大学的研究人员进行的一项研究介绍了改善钨延展性的方法。一般认为，纯钨和添加少量合金的钨合金在室温下是呈脆性的，且具有较高的延性-脆性转变温度（ductile-to-brittle transition temperatures, DBTT）。改善钨的延展性对钨制造和应用的范围产生具有重要意义。

尽管几十年来，在改善钨的延展性方面已经有了大量的研究报告，但这仍然是一个挑战，部分归因于对钨的机械性能及其对微观结构的依赖性的理解还不够。

钨与铼的合金化基本上是唯一已知的通过合金化提高钨的延展性的方法。尽管近年来有大量关于添加剂效果的研究报告，包括氧化物、碳化物和其他，但到目前为止，这些添加剂对钨的延展性的影响还没有定论，或者说在热机械加工的影响下，这些添加剂的影响并不明显。使用超细颗粒或纳米晶体的微结构来提高钨的延展性是另一种看起来颇具前途的方法。

钨是一种具有独特性能的难熔金属，在所有元素中熔点最高，弹性模量高，密度大，热导率高，在高温下具有优良的机械性能。这些特殊的性能使钨成为许多应用的首选材料。近年来，由于钨的高熔点、低溅射率和高等离子体溅射耐蚀性，钨也被确定为聚变反应堆中等离子体面部件的材料之一。

然而，钨的一个主要缺点是它在室温下几乎没有延展性，而且其延展性-脆性转变温度（DBTT）很高。钨的不良延展性对其可加工性和其在苛刻应用中的性能都造成了巨大挑战。

为了提高延展性，研究人员认为，有两个主要的促成因素：内在的缺乏紧密堆积的平面和晶界的内聚力差。在各种方法中，热机械加工已被发现是最有效的方法。在低于再结晶温度的温度下进行轧制，可以将钨的DBTT从700℃以上降低到300℃以下。有几个主要因素促成了变形钨延展性的改善，包括轧制后的层状微结构和高位错密度。

为了尽量减少高温加工过程中的再结晶，基于传统变形技术的冷加工也被用来提高钨的延展性。由于钨的再结晶温度非常高，“冷”加工可以进行到约1400℃。通过这样可以防止钨在变形过程中的再结晶和晶粒增长，从而在材料中形成更精细的层状微结构和更高的位错密度。

与高温轧制材料相比，在400℃下冷轧的钨显示出增加的位错密度，更多的低角度晶界，以及强度的明显改善，以及更低的DBTT。

另一个著名的改善钨的延展性的方法是与铼合金化。据报道，钨的Peierls应力可以减少，并且通过所谓的溶液软化形成钨和铼的固溶体，可以促进额外的滑移面。然而，铼是一种高成本的稀有元素，使这些合金在许多应用中变得过于昂贵。大量的研究工作被指向用钽、钒、钛或其他元素代替铼，以达到类似的结果。

然而，到目前为止，还没有什么实验证据证明这些合金元素的有效性。近年来，基于金属和陶瓷的研究进展，纳米晶或超细粒结构已被探索为改善钨的延展性的一种方法。为了生产纳米晶或超细颗粒的钨，人们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过热机械手段，如轧制、挤压和严重的塑性变形技术来细化晶粒尺寸。自下而上的方法指的是粉末冶金工艺，在此过程中，纳米级钨粉被压实和烧结，以获得具有超细颗粒微观结构的完全或接近完全致密的钨块材。

在这项研究中提及的：再结晶、恢复和晶粒粗化一般会增加钨的DBTT，但位错移动性是改善钨基合金延展性的根本。这一部分将侧重于对位错移动性有直接影响的合金添加物和杂质（如钨铼合金）的影响，此外还有影响钨的微观结构和位错结构的合金添加物和添加剂。

总而言之，再结晶、恢复和晶粒粗化一般会增加钨的DBTT，但位错移动性是改善钨延展性延展性的根本。与Re的合金化是钨通过合金化改善延展性的唯一被证实的可靠方法。然而，这种元素的低可用性和高成本抑制了其应用。在钨与其他元素的合金化方面，也已取得较大成果。

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