摻雜Y2O3鎢基復(fù)合材料在近韌脆轉(zhuǎn)變溫區(qū)的靜載拉伸特性

黃 俊,李陽陽,袁國虎,左 彤,羅來馬,徐光青,2,3,呂 珺,2,3,譚曉月,2,洪 雨,3,朱曉勇,吳玉程

(合肥工業(yè)大學(xué)1.材料科學(xué)與工程學(xué)院,2.有色金屬與加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,3.先進(jìn)功能材料與器件安徽省重點(diǎn)實驗室,4.先進(jìn)能源與環(huán)境材料國際科技合作基地,合肥 230009)

0 引 言

隨著化石能源的逐漸枯竭,人類對安全、清潔、可持續(xù)能源的向往和需求與日俱增。核聚變的能量密度巨大,釋放的能量高于核裂變,且在生產(chǎn)過程中無長期放射性,也不會產(chǎn)生核廢料污染環(huán)境,其反應(yīng)物氫和氦資源豐富,大量存在于海水中,這些都使得核聚變成為目前可持續(xù)發(fā)展能源的最優(yōu)選擇之一[1-3]。核聚變裝置在運(yùn)行時,其面向等離子體材料(PFMs)面臨著復(fù)雜的服役條件,如高通量粒子轟擊、瞬態(tài)熱沖擊等[3-5],因此對該材料的性能要求極其嚴(yán)苛。

鎢材料作為一種高原子序數(shù)的材料,具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、低自濺射率、長使用壽命等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最有希望的面向等離子體候選材料。然而純鎢材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)高,在較低溫度下該材料呈現(xiàn)脆性,極易發(fā)生突然斷裂,這極大地限制了其應(yīng)用[6-7]。因此,研究鎢基材料的韌脆轉(zhuǎn)變機(jī)制并對其進(jìn)行改性尤為重要。目前,鎢材料主要采用粉末冶金燒結(jié)工藝制備,改性方法主要包括添加金屬元素[8-9]、添加第二相[10-17]、加工變形[18-19]及復(fù)合增韌[20-21]等,其中添加第二相是常用的改性方法。第二相作為異質(zhì)粒子,在燒結(jié)時可以抑制鎢晶粒的長大,也可以通過與位錯產(chǎn)生交互作用來提高材料的力學(xué)性能。YE等[22]在鎢材料中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的Y2O3和不同含量的ZrO2,發(fā)現(xiàn)當(dāng)ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時,鎢材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度更低,并且在500 ℃時具有較高的抗拉強(qiáng)度;這種力學(xué)性能的提升源于晶粒細(xì)化以及第二相強(qiáng)化作用。XIE等[23]在鎢中加入ZrC制備了W-ZrC合金塊體,鎢基體與ZrC顆粒形成共格界面,使得該合金在低溫下表現(xiàn)出良好的韌性,韌脆轉(zhuǎn)變溫度低至約100 ℃。上述研究表明,添加第二相可以提升鎢基材料的力學(xué)性能和韌脆轉(zhuǎn)變溫度,這就使得低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的力學(xué)試驗得到實現(xiàn)[24]。作者將Y2O3摻雜鎢基復(fù)合材料作為研究對象,在韌脆轉(zhuǎn)變溫區(qū)附近對其進(jìn)行靜載拉伸試驗,以研究其在此溫區(qū)附近的變形特性。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為課題組自制[25],鎢源為偏鎢酸銨[(NH4)6H2W12O40·4H2O,純度不低于99.95%],Y2O3源為六水硝酸釔[Y(NO3)3·6H2O,純度不低于99.99%],沉淀劑為草酸[C2H2O4·2H2O,純度不低于99.5%]。將偏鎢酸銨和六水硝酸釔溶解于去離子水中,加入草酸使前驅(qū)體沉淀形成塊體產(chǎn)物。將塊體產(chǎn)物研磨,得到前驅(qū)體粉末,隨后交由北京天龍鎢鉬有限公司,制備得到Y(jié)2O3摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%,2.0%的鎢基復(fù)合材料軋制板。將Y2O3摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%,2.0%的鎢基復(fù)合材料分別命名為WY0.5,WY2.0復(fù)合材料。

沿RD-TD面(RD為軋制方向,TD為軋板橫向)在軋制板上取金相試樣,經(jīng)20#～1000#砂紙打磨、拋光后,使用無水乙醇超聲清洗5 min,使用120 ℃、體積分?jǐn)?shù)30% H2O2溶液腐蝕1 min,在ZEISS Axio Lab A型光學(xué)顯微鏡(OM)上觀察顯微組織。使用Image Pro Plus軟件統(tǒng)計晶粒尺寸,每個試樣選取300個晶粒,測量其直徑并繪制成分布直方圖,對直方圖進(jìn)行高斯擬合得到平均晶粒尺寸。使用X-Pert PRO MPD型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析。使用ZEISS Crossbeam 550L型雙束電鏡制備透射電鏡試樣,離子束為Ga+,加速電壓為500～30 000 V,最大束流不低于100 nA。使用JEOL NEOARM型單球差矯正透射電子顯微鏡(TEM)觀察位錯組態(tài)和顯微組織。使用DK7735型電火花數(shù)控線切割機(jī)床在軋制板上取拉伸試樣,平行段長度為6 mm,厚度為2 mm。將拉伸試樣進(jìn)行機(jī)械研磨和拋光處理后,使用AG-X plus型高溫電子萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行不同溫度下的拉伸試驗,試驗溫度分別為室溫(25 ℃),200,300,400,600,800 ℃,拉伸速度為1 mm·min-1,根據(jù)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線判斷DBTT區(qū)間。使用SU8020型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌,采用Williamson-Hall方法[26-28]計算試樣斷口區(qū)域的位錯密度。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織與物相組成

由圖1可見,WY2.0和WY0.5復(fù)合材料的晶粒均沿RD方向伸長,呈現(xiàn)出一定織構(gòu)特征,平均晶粒尺寸分別約為22.47,26.88 μm。可知,WY2.0復(fù)合材料的晶粒較WY0.5復(fù)合材料更細(xì)小。

圖1 WY2.0和WY0.5復(fù)合材料的顯微組織和晶粒尺寸分布直方圖Fig.1 Microstructures (a, c) and histograms of grain size distribution (b, d) of WY2.0 (a-b) and WY0.5 (c-d) composites

由圖2可見:WY2.0復(fù)合材料中的第二相顆粒形狀較為規(guī)整,呈橢球狀,在晶內(nèi)和晶間均有分布,鎢基體內(nèi)存在大量位錯纏結(jié)和位錯殘余,可能源自母相遺傳,即WY2.0復(fù)合材料在軋制過程中的變形;第二相顆粒周圍分布著大量位錯線(如圖中箭頭所示),說明第二相顆粒有效阻礙了鎢基體中的位錯運(yùn)動;第二相顆粒的晶面間距為0.305 3 nm,應(yīng)為Y2O3(PDF#00-001-0831),鎢基體的晶面間距為0.232 4 nm(PDF#00-001-1204)。WY0.5復(fù)合材料的顯微組織和第二相Y2O3顆粒分布情況與WY2.0

圖2 WY2.0和WY0.5復(fù)合材料的TEM形貌Fig.2 TEM morphology of WY2.0 (a-c) and WY0.5 (d-f) composites: (a, d) bright field images, large particle;(b, e) bright field images, small particle and (c, f) high-resolution images at circles in Fig.(a) and Fig.(e)

復(fù)合材料相似,但較少的摻雜量使得Y2O3顆粒的尺寸略微減小,且部分Y2O3顆粒出現(xiàn)局部剝落現(xiàn)象,如圖2(e)所示,這表明WY0.5復(fù)合材料中Y2O3顆粒與鎢基體的結(jié)合強(qiáng)度低于WY2.0復(fù)合材料。

由圖3可知,WY2.0和WY0.5復(fù)合材料的物相均主要為鎢,其中位于40.2°,58.3°,73.2°,87.0°處的特征峰分別對應(yīng)鎢的{110}、{200}、{211}、{220}面。在2種復(fù)合材料中均未發(fā)現(xiàn)第二相Y2O3的衍射峰,可能是由于添加的Y2O3含量較少,超出了X射線衍射儀的檢測精度。

圖3 WY2.0和WY0.5復(fù)合材料的XRD譜Fig.3 XRD patterns of WY2.0 and WY0.5 composites

2.2 拉伸性能

由圖4(a)可見,在室溫(25 ℃)和200 ℃下拉伸時,WY2.0復(fù)合材料的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示出脆性特征,當(dāng)溫度升高至300 ℃及以上時,工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出塑性特征。這表明在200～300 ℃的溫度區(qū)間中WY2.0復(fù)合材料發(fā)生了脆到韌的轉(zhuǎn)變[29]。由圖4(b)可見,WY0.5復(fù)合材料在室溫至300 ℃時發(fā)生脆性斷裂,在400 ℃及以上溫度時發(fā)生塑性斷裂。這表明在300～400 ℃的溫度區(qū)間中WY0.5復(fù)合材料發(fā)生了韌脆轉(zhuǎn)變。

圖4 WY2.0和WY0.5復(fù)合材料在不同溫度下拉伸時的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線Fig.4 Engineering stress-engineering strain curves of WY2.0 (a) and WY0.5 (b) composites during tension at different temperatures

由圖5(a)可知:WY2.0復(fù)合材料在25 ℃下的抗拉強(qiáng)度最小,在200 ℃下的抗拉強(qiáng)度最大,當(dāng)溫度由300 ℃升高到400 ℃時抗拉強(qiáng)度略微增大,高于400 ℃時,抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高持續(xù)下降;WY2.0復(fù)合材料的斷后伸長率則隨溫度升高先增大,在溫度400 ℃下達(dá)到最大,隨后下降。在600 ℃和800 ℃下WY2.0復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率的減小,可歸因于拉伸試驗在大氣氛圍下進(jìn)行,溫度越高,材料的氧化越嚴(yán)重[30]。當(dāng)拉伸試驗溫度為400 ℃時,WY2.0復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度相對較高,達(dá)到436 MPa,斷后伸長率最大,達(dá)到14%。

圖5 WY2.0和WY0.5復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率隨溫度的變化曲線Fig.5 Variation curves of tensile strength and percentage elongation after fracture vs temperature of WY2.0 (a) and WY0.5 (b) composites

由圖5(b)可知:當(dāng)拉伸試驗溫度由25 ℃升高到200 ℃時,WY0.5復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度略有下降,當(dāng)溫度升高至300 ℃時,抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大,隨后隨溫度繼續(xù)升高,抗拉強(qiáng)度持續(xù)下降;WY0.5復(fù)合材料的斷后伸長率先隨溫度升高而增大,但當(dāng)溫度由300 ℃升高至800 ℃時呈波動變化,穩(wěn)定在6.5%～8.4%之間。在較高溫度下拉伸時,WY0.5復(fù)合材料試樣同樣會發(fā)生氧化,導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度下降,并且其基體與第二相結(jié)合相對較差,在拉伸斷裂過程中,結(jié)合不好的界面極易成為裂紋源,同時增加與空氣的接觸面積,促進(jìn)試樣的氧化[31]。

由圖6可見:WY2.0復(fù)合材料在25,200 ℃下的拉伸斷口以冰糖狀斷口為主,表現(xiàn)出典型脆性沿晶斷裂特征;當(dāng)試驗溫度升高到300 ℃時,拉伸斷口也呈冰糖狀,但伴有部分穿晶斷裂及撕裂現(xiàn)象,說明在此溫度下復(fù)合材料具有一定的塑性,與其工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線在工程應(yīng)力達(dá)到峰值后出現(xiàn)一小段延伸段的現(xiàn)象相吻合;當(dāng)試驗溫度升高至400 ℃時,拉伸斷口中出現(xiàn)韌窩,部分韌窩為拉長韌窩,可能是試驗對中性差引入了切應(yīng)力所致,斷口整體呈板纖維形貌,說明此時試樣的斷裂模式不是微孔聚集型而是軋制引入的結(jié)構(gòu)增韌型,這是一種半脆性行為;當(dāng)試驗溫度繼續(xù)升高至600 ℃和800 ℃時,拉伸斷口上出現(xiàn)明顯的氧化現(xiàn)象,但仍能觀察到較大的塑性變形特征,斷口上存在大量連續(xù)且呈等軸狀的韌窩,表現(xiàn)出本征塑性。WY0.5復(fù)合材料的拉伸斷口在25 ℃下主要呈冰糖狀,在200 ℃下除了出現(xiàn)冰糖狀形貌外,還出現(xiàn)了大量河流狀解理面,在300 ℃下仍可觀察到較為明顯的解理面,在400 ℃下拉伸斷口存在大量韌窩和部分解理面,在600 ℃和800 ℃下出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象。

綜上所述,隨著試驗溫度的升高,WY2.0復(fù)合材料的拉伸斷裂模式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榘氪嘈詳嗔言俎D(zhuǎn)變?yōu)楸菊魉苄詳嗔选Ｔ诖嘈院桶氪嘈噪A段,即25,200,300,400 ℃下拉伸后WY2.0復(fù)合材料拉伸斷口區(qū)域的位錯密度分別為4.36×1015,4.12×1015,3.86×1015,3.99×1015m-2,并無明顯變化,處于相對較低的水平;而在本征塑性階段,即在600,800 ℃下拉伸斷口區(qū)域的位錯密度分別為6.28×1015,6.74×1015m-2,與25～400 ℃下相比明顯增大。更高的位錯密度意味著在拉伸過程中開動了更多的位錯源,這可能是WY2.0復(fù)合材料在600～800 ℃下拉伸時具有本征塑性的重要原因之一[32]。

3 結(jié) 論

(1) 在摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%,2.0%Y2O3的鎢基復(fù)合材料(依次記為WY0.5,WY2.0)中,鎢基體內(nèi)均存在大量由軋制變形導(dǎo)致的位錯,添加的Y2O3以第二相的形式存在于鎢基體中,對位錯運(yùn)動起到釘扎作用;較高Y2O3摻雜量下的鎢基復(fù)合材料的晶粒更細(xì)小。

(2) WY0.5和WY2.0復(fù)合材料分別在300～400 ℃和200～300 ℃區(qū)間內(nèi)發(fā)生脆性向韌性的轉(zhuǎn)變,較高Y2O3摻雜量下的韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低。

(3) WY2.0復(fù)合材料在300～400 ℃拉伸時發(fā)生半脆性行為,斷口區(qū)域位錯密度較低,在3.8×1015～3.9×1015m-2,在600～800 ℃下發(fā)生明顯塑性變形,斷口區(qū)域位錯密度明顯增加,達(dá)到6.2×1015～6.8×1015m-2。