“钨及钨合金专题”内容简介
专题主持：刘文胜教授
钨材料具有密度高、熔点高、硬度高、高温强度和抗蠕变性能优异等特性，是国家重大工程和武器装备发展亟需的关键材料，广泛用于核聚变堆、卫星、飞行器、发动机等极端服役环境领域。随着前沿科学技术的不断发展，服役环境变得更加苛刻，对钨材料的性能提出了更高要求。同时，在高温、高压、高应变率、强辐照、强腐蚀等极端环境下，钨材料的组织结构演变和失效模式均不同于常态，研究钨材料在极端条件下的响应规律，是理解和提高其极端环境服役性能的关键。中南大学刘文胜教授团队在黄伯云院士指导下，瞄准钨材料发展的国家重大需求和最新前沿动态，开展钨材料基础与应用基础研究。基于近期在钨材料设计制备和极端环境服役行为等方面取得的研究进展，组织策划了7篇论文形成本专题。
针对钨的本征脆性问题，论文《X含量对W-X合金微观组织与性能的影响》研究了X元素添加对钨韧性改善的作用机制。X的加入改变了钨的变形机制，从螺位错的滑移机制向刃位错和螺位错的混合滑移机制转变。随着X含量的增加，W-X合金压缩强度呈现先增大后减小的变化规律，当X的质量分数为30%时，合金压缩强度为2044 MPa，断裂应变为24%。该研究工作对钨材料的强韧性提升具有重要的理论与技术指导意义。
针对(超)高速装备对高性能钨合金及其大尺寸异形结构件的迫切需求，开展了新型钨合金体系设计、钨/钢层状复合材料制备等研究。论文《铜对热等静压钨合金微观组织和力学性能的影响》探讨了热等静压低温液相烧结90W-Ni-Fe-Cu合金体系的优化设计。在(1350 ℃, 150 MPa, 3 h)的热等静压工艺下，随着Cu含量增加，合金烧结方式由固相烧结向液相烧结转变，拉伸强度和伸长率均呈现先增大后减小的变化规律，90W-4.2Ni-1.8Fe-4Cu合金拉伸强度达953 MPa。论文《Ti/Ni复合中间层扩散连接钨与钢接头的断裂行为》和《粉末冶金共烧结制备90W-7Ni-3Fe/30CrMnSiNi2A结构复合材料组织性能研究》分别开展了固态扩散连接和粉末冶金共烧结制备钨/钢层状复合材料的研究。前者采用Ti/Ni复合中间层扩散连接制备了高界面结合强度的钨/钢层状复合材料，在拉伸载荷作用下，复合材料呈现出界面断裂、反应层断裂和混合断裂3种断裂模式，其界面性能受界面金属间化合物和残余应力共同控制。后者采用粉末冶金共烧结制备了组织均匀致密、具有良好界面结合的90W-7Ni-3Fe/ 30CrMnSiNi2A钢层状复合材料，在1350 ℃的共烧结温度下，共烧结界面形成厚度为50 μm的复杂立方结构Fe6W6C金属间化合物层；在拉伸载荷作用下，复合材料呈现Fe6W6C层及Fe6W6C/W界面的混合断裂模式。这三项研究工作对新型钨合金及其层状复合材料的成分与结构设计、大尺寸异种材料结构件的粉末冶金共烧结制备提供理论和技术支撑。
聚焦钨材料在高温、高压、高应变率下的组织结构演变和服役行为，论文《90W-Ni-Fe合金在应变率6000 s-1下不同应变的微观组织特征》开展了钨合金在动态冲击载荷下的塑性变形和断裂失效行为研究，采用应变限位环方法描述90W-Ni-Fe合金在应变率6000 s-1下的动态变形过程。当应变低于0.25时，钨颗粒发生均匀塑性变形，位错滑移为主要变形机制；当应变达到0.45时，钨颗粒发生动态回复，形成板条状亚晶；当应变达到0.6时，钨颗粒发生绝热剪切变形和动态再结晶；随着应变的继续增加，微裂纹在剪切带内形核和扩展，导致合金断裂失效。论文《钨对称倾斜晶界的分子动力学计算模拟研究》和《钨动态回复过程的相场模型建立及其仿真模拟》分别采用分子动力学和相场法开展了服役过程中钨合金组织结构演变的模拟研究。基于钨的对称倾斜晶界的结构特点，建立了基于倒易空间阵点的简易对称倾斜晶界构建方法，通过分子动力学模拟确定了不同旋转轴和倾斜角的对称倾斜晶界结构、界面能和分离功。在此基础上，通过耦合Estrin-Mecking位错密度模型，建立了钨动态回复微观组织演变的多相场模型，随着温度或应变率提高，多晶钨动态回复过程中晶界存在细微移动，致使平均晶粒尺寸增大，动态回复进程加快。研究工作对理解钨合金在服役过程中的组织演变和变形机制具有重要的理论和实践意义，对新型钨合金的设计与应用拓展具有重要的指导意义。
本专题7篇论文围绕钨材料的本征性能、设计制备及在极端环境下的服役行为开展工作，研究内容涉及对钨本征脆性的认知、新型钨合金体系的设计、钨/钢层状复合材料的制备以及对钨材料极端环境服役行为的理解等，对高性能钨材料的研发提供理论依据和技术支撑。
