自生纳米陶瓷Al2O3及晶型转变对钨合金组织和力学性能的影响

Tungsten alloys are widely used in aerospace, photoelectric and energy fields. It is the development trend for tungsten alloys to be strengthened by dispersed second phases. The molybdenum alloys reinforced by in–situ nano-size Al2O3 particles have been prepared and supported by National Natural Science Foundation of China (50972039). Based on this research, the high-strengthened tungsten alloys will be obtained via the Al2O3 addition by two step hydrothermal synthesis method. The method preserves fine and uniform sized grain of Mo-Al2O3 composite powder prepared by liquid-liquid doping, and the crystal type of Al2O3 can be controlled. The research focuses are as fellows with the role of Al2O3 strengthening phases as breakthrough point: (1)Crystal type transformation and nano-size control of Al2O3, and the impact of which on the crystal lographic structure and microcrack initiation of interfaces among Al2O3 and W; (2) the microstructure evolvement and crackinitiation and propagation behavior of interfaces of Al2O3-W under high temperature and high stress condition. The item will clarify the coupling mechanism of the second phase strengthening, dispersion strengthening, microcrack strengthening due to Al2O3 addition, and have academical significance in dispersion strengthened tungsten alloys.

钨合金广泛应用于航空航天、光电能源等行业，第二相弥散强化高性能钨合金是其发展趋势。前国家自然科学基金（50972039）已成功制备出自生纳米Al2O3颗粒强化高性能钼合金，据此，拟采用两步水热合成法把Al2O3颗粒加入钨合金中。水热合成法保留了前期液-液掺杂法制备的Mo-Al2O3复合粉体晶粒细小、粒度均匀的优点，同时还可以控制Al2O3晶型。以Al2O3相所产生的第二相强化、弥散强化、微裂纹强化作用为切入点，着重研究：（1）Al2O3晶型转变与纳米尺寸控制，及其对Al2O3-W相界面晶体学、微裂纹萌生产生的影响；（2）高温高应力作用下，Al2O3-W相界面组织演变及裂纹萌生、扩展行为。阐明Al2O3所产生的第二相强化、弥散强化、微裂纹强化耦合作用机理，为第二相弥散强化高性能钨合金具有学术价值和重要意义。

W合金是高温领域不可或缺的结构材料，在基体中引入细小且弥散分布的氧化物颗粒，是提高W合金综合力学性能的有效方法。Al2O3硬度高、耐磨性好且成本低廉，是一种优良的增强体。本项目采用水热合成+液液掺杂成功制备出Al2O3颗粒增强W合金；调控了Al2O3晶型转变与纳米尺寸，探明了其对W-Al2O3相界面晶体学、微裂纹萌生产生的影响；研究了高温高应力作用下，W-Al2O3相界面组织演变及裂纹萌生、扩展行为。主要研究结果如下：.(1) 采用液液掺杂，实现了WO3·0.33H2O和AlO(OH)前驱体均匀混合。随Al2O3含量的增加，W-Al2O3复合粉体平均粒径从1300减小到15nm，逐渐呈球形。H2还原过程中，依附在WO3颗粒表面的Al2O3颗粒降低了WO2(OH)2生成速率，抑制了气相迁移过程，细化了复合粉体。.(2) Al2O3的加入提高了复合粉体的烧结活性，有效提高了力学性能。随Al2O3含量从0增至1.0wt.%，平均晶粒尺寸从10减少到3μm。亚微米或纳米级的Al2O3颗粒弥散分布于W基体中，较大颗粒趋向于分布W晶界处，较小颗粒分布于W晶粒内，并能有效抑制W晶界迁移，减缓W晶粒长大速度。.(3) 测定了W-Al2O3合金不同温度(1300～1600℃)、不同应变速率(10～0.01s-1)流变应力-应变曲线，并分析了其变形组织演变规律；构建了流变应力与温度、应变速率及应变之间的本构方程；建立了W-Al2O3合金热加工图，确定了旋锻热加工工艺参数。.(4) W与Al2O3颗粒界面结合良好，界面处存在5～10nm厚的非晶过渡层。W-Al2O3合金室温硬度(559HV)和断裂韧性(21MPa·m1/2)，比纯W分别提高30%和52%；800℃温度抗拉强度为611.1MPa，比纯W提高了18%。W-Al2O3合金的初始再结晶温度为1600℃，比纯W的高300℃，且W-Al2O3合金比纯W具有更好的组织热稳定性。.基于以上结果，阐明了Al2O3对钨合金的强化机理，为新型钨合金的设计提供了重要的学术价值。..