W-Cr-Nb三元合金和W-Cr-Zr三元合金的氧化行为

研究人员对W-Cr-Nb三元合金和W-Cr-Zr三元合金的氧化行为进行了研究总结。首先是Suresh等研究人员报道了W-Cr-Nb三元合金在1000℃下15小时（30次循环）的氧化行为。不同的W-Cr-Nb合金的微观结构结果表明W-Cr-Nb三元合金具有较高的密度和少量的孔隙，其真实密度为其理论密度的97.5-98.5%。W-Cr-Nb三元合金主要由富含W的固溶体（WSS）和Cr₂Nb相组成。随着Cr含量的增加，WSS晶粒尺寸逐渐减小，Cr₂Nb含量逐渐增加，并且Cr₂Nb在晶界的分布更加均匀。此外，在(W_0.7Cr_0.3)90-Nb₁₀和(W_0.5Cr_0.5)90-Nb₁₀样品的表面观察到少量的气孔。然而，(W_0.4Cr_0.6)90-Nb₁₀样品的表面是非常均匀和紧凑的，几乎没有孔隙。这表明，合金的密度与Cr含量有关。

与W-Cr二元合金和纯W相比，W-Cr-Nb三元合金的Δ m/S更低。Cr2Nb第二相可以有效降低W-CrNb三元合金的氧化率。氧化的W-Cr-Nb合金样品的截面图像和外观。可以看出，（W_0.7Cr_0.3）90-Nb₁₀和（W_0.5Cr_0.5）90-Nb₁₀合金的粉化比较严重，在样品的边缘可以看到明显的氧化膨胀裂纹。

然而，氧化后的（W_0.4Cr_0.6）90-Nb10样品的表面没有明显的缺陷，合金的Δ m/S比（W_0.7Cr_0.3）₉₀-Nb₁₀和（W_0.5Cr_0.5）₉₀-Nb₁₀合金的Δ m/S高近0.5倍。横截面SEM结果显示，氧化层的主要成分是Nb₂O₅-3WO₃和Cr₂WO₆。Cr₂WO₆主要存在于氧化层的明亮区域，其含量随着合金中Cr/Cr₂Nb含量的增加而增加。因此，增加Cr/Cr₂Nb含量有利于延长W-Cr-Nb三元合金的氧化寿命。

Tan等研究人员通过磁控溅射技术在W表面制备了W-Cr-Zr薄膜合金。合金样品表面为柱状晶体结构，成分均匀，截面厚度约为4微米，具有磁控溅射技术的典型特征。在1000℃下氧化75分钟至10小时的W-Cr-Zr合金的截面微观结构图像表明。在样品内部观察到大量的白色相，这表明样品的内部已经被氧化。此外，W-12.5Cr-0.6Zr和W-12.1Cr-1.7Zr合金具有较高的Δm/S值和较厚的氧化层，氧化层的厚度分别为345nm和360nm。然而，W-10.5Cr-1.3Zr合金的氧化层厚度只有230nm。

结果表明W-10.5Cr-1.3Zr合金的氧化非常严重，出现了大量的纵向裂纹，W-11.2Cr-1.7Zr合金具有最好的抗氧化性，Δm/S值最低。XRD分析表明，氧化层主要由Cr2WO6和WO3组成，还有少量的Cr2O3和ZrO2相。最外层的氧化层主要由Cr2WO6和WO3组成，厚度为2 µm，中间层主要由Cr2O3和ZrO2颗粒组成，厚度为1.5 µm。ZrO2颗粒不仅可以作为初始氧化物的成核点，还可以作为扩散屏障，抑制Cr阳离子的扩散，维持氧化膜结构，延缓合金的氧化。

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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