钨-硅二元合金的氧化行为

钨-硅二元合金主要由Si和W-Si化合物组成。在W-Si合金的氧化行为中，合金表面很容易被氧化，产生一层致密而连续的SiO₂保护膜。它将作为一个扩散屏障，延迟氧气进一步扩散到合金中。

F. Koch等研究人员对Si含量对W-Si合金的抗氧化性的影响进行了研究。结果显示，W-Si合金的氧化率低于纯W的氧化率，Si含量越高，合金的抗氧化性越好。其中，WSi₁₈合金在600~1000℃的温度下具有最好的抗氧化性，其氧化率比纯钨低10~100倍。氧化率与1/T的Arrhenius图表明，W-Si合金的氧化活化能（117~136 Kj.mol^-1）明显高于纯钨（80 Kj.mol^-1），这表明W-Si合金比纯钨有更好的抗氧化性。

研究人员认为较大的晶粒尺寸是WSi_1.7表面粗糙度较高的主要原因。钨-硅二元合金(WSi₁₃)具有光滑致密的表面结构，仅有少量的大尺寸晶粒。然而，在800℃温度下经过4小时，WSi₁₃合金的表面氧化更为严重。EDS分析结果显示，深灰色区域主要由SiO₂组成，其中氧含量高达62 at%。然而，浅灰色区域的氧含量只有12 at%，这个区域主要由SiO₂和WO₃组成。在深灰色区域观察到一些直径为10~20微米的小坑，这主要是由于钨的氧化行为及其径向生长。WO₃的形成是导致氧化层体积膨胀和脱落的主要原因。这种氧化成核现象可能与合金表面存在的微观孔隙、裂缝和Si元素的不均匀分布有关。此外，W和Si之间形成的中间相降低了合金强度，这在一定程度上限制了W-Si合金的应用。

参考来源: Fu T, Cui K, Zhang Y, et al. Oxidation protection of tungsten alloys for nuclear fusion applications: A comprehensive review[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 884: 161057.

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