双尺度分布氧化镧颗粒掺杂钼合金的高温力学行为研究

Recently, we have developed a new kind of high-performance nanostructured molybdenum alloys doped by lanthanum oxide particles. These new alloys possess strength/ductility combination superior to all the reported Mo-based alloys, and the characteristic microstructure of intergranular/intragranular dual lanthanum oxide particles distributed on the ultrafine Mo grains is found to be responsible for the simultaneous improve in strength and ductility. However, the high-temperature mechanical behaviors and strengthening/toughening mechanisms of the new Mo alloys are still unclear. In this project, high-temperature mechanical behaviors of Mo alloys will be systematically investigated, aiming to reveal the temperature-dependent strengthening/toughening mechanisms of the intergranular and intragranular particles, solely and in combination. For this purpose, the doped lanthanum oxide particles will be varied in content and distribution (intergranular/intragranular content ratio) by carefully controlling the preparation technique. Microstructure will be quantatively characterized and related to the room and high temperature mechanical properties, respectively. Through the establishment of relationship between the microstructure and mechanical properties, the effect of dual-scale particles on the high temperature structural stability and high temperature strengthening and toughening mechanisms is expected to be revealed. The research results will be helpful for the determination of the suitable application temperature range of the dual-scale distribution rare oxide dispersion strengthened molybdenum alloy, and also provide experimental data and the theoretical basis for microstructure optimization design and preparation of high-performance molybdenum alloy with the wider application temperature range.

申请人及其合作者前期研究中开发了一种新型纳米氧化镧颗粒掺杂钼合金，其室温强度/延性组合大幅度超越了已公开报道的钼合金材料，分析表明该材料室温强韧化的关键在于细晶钼基体上的氧化镧颗粒具有晶内/晶界双尺度分布特征。目前该钼合金的高温强韧化的潜力与强韧化机制尚不明确，亟待开展系统的研究。本项目拟设计并制备不同氧化镧含量与晶内/晶界分布权重的钼合金，通过对微观组织结构的定量表征，以及室温/高温力学性能的测试，系统研究不同温度下晶内/晶界双尺度分布氧化镧掺杂钼合金微观组织变化对合金变形行为与力学性能的影响规律，建立微观组织与力学性能之间的联系，揭示双尺度分布稀土氧化物颗粒对钼合金高温稳定性的影响机制，阐明晶内/晶界双尺度分布颗粒的高温强韧化机制及其耦合作用。研究结果将确定双尺寸分布钼合金强韧化的最佳适用温度范围，并为获得应用温度范围更广泛的高强韧钼合金的微观组织优化设计与制备提供实验数据和理论基础。

本项目针对具有双尺度分布特征的新型纳米颗粒掺杂钼合金的高温强韧化的潜力与强韧化机制尚不明确等问题开展的系统研究。研究中以不同氧化镧含量钼合金为对象，深入地研究了合金中不同钼基体状态下的双尺度颗粒强韧化机理，并从“成分设计”和“加工工艺”两个方面对力学性能进行了优化，建立了微观结构和力学性能之间的量化关系，阐述了晶内/晶界双尺度颗粒对室温强度和延性的耦合影响。同时，针对钼合金长时间服役行为进行了系统的研究：揭示了室温低周疲劳过程中变形和断裂机理，细长的晶界能够有效的约束裂纹沿垂直于加载方向扩展，从而延长了裂纹在平行加载方向的扩展路径，通过提高裂纹扩展的阻力，使疲劳性能得到改善；阐明了钼合金的高温蠕变强化机制，以及蠕变损伤和断裂机制，与纯钼材料相比，所制备钼合金蠕变应力指数和蠕变激活能都明显提高，蠕变本构模型的分析结果显示，位错攀移越过颗粒的阻力大于位错离开颗粒时的阻力，因此，蠕变过程受位错攀移控制；此外，钼合金的断裂应变表现出很强的应变速率敏感性，从高应变速率到低应变速率过程中，断裂模式发生穿晶/韧窝断裂到沿晶/准解理断裂的转变，并且温度越高，应变速率越低，越倾向于脆性断裂。研究结果为获得应用温度范围更广泛的高强韧钼合金的微观组织优化设计与制备提供了实验数据和理论基础。