香港大学《Acta Materialia》突破“强度-塑性”悖论：新型钼合金实现33%超高延展性
2026-02-11 13:41:16
作者：材料学网 来源：材料学网
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摘要：实现强度与延展性的协同平衡，一直是钼合金领域面临的长期挑战。本研究系统探究了三种经不同氧化物颗粒（Y2O3、CeO2和（Ce,Y）xOy）增强的钼合金，且三种合金的屈服强度均处于相当水平。Mo-Y2O3合金中，含有无序、不相干的Y2O3/Mo界面，易产生严重的局部应力集中及早期界面脱粘，导致合金的均匀伸长率极低。相比之下，Mo-CeO2合金具有半共格的CeO2（200）//Mo（101）界面，该界面可提升位错储存能力，使合金的均匀伸长率达到6.3%。
值得注意的是，复合添加CeO2和Y2O3可生成新型（Ce,Y）xOy颗粒（其氧金属原子比y/x约为1.7），该复合颗粒与钼基体形成非共格的CeO2（11）//Mo（200）界面。这种定制化界面能够使位错以适度阻力发生滑移，实现位错的持续积累，同时不会严重阻碍位错的迁移能力。此外，Mo-CeO2-Y2O3合金的氧化物颗粒分布得到优化，促使合金形成均匀且完全再结晶的微观组织，进而缓解沿晶断裂现象并进一步提升合金延展性。最终，Mo-CeO2-Y2O3合金的均匀伸长率与总伸长率分别达到11.8%和33%，数值近乎为Mo-CeO2合金的两倍，且远高于Mo-Y2O3合金。本研究阐明了靶向性氧化物设计在调控钼合金界面原子结构、氧化物分布及晶粒微观组织方面的关键作用，为制备兼具高强高韧特性的氧化物弥散强化金属材料提供了极具前景的技术路径。
背景：与纯钼（Mo）相比，氧化物弥散强化（ODS）Mo合金通常具有显著增强的强度、显微组织稳定性和抗蠕变性，在关键的高温应用中具有巨大的潜力，例如熔炉元件空间裂变反应堆用（加热体）和结构材料（燃料包壳）。添加的氧化物颗粒在高温下倾向于偏析到晶界，从而稳定晶界并细化晶粒结构。然而，通过晶粒细化获得高强度通常以降低延展性为代价。虽然晶界可以阻碍位错运动，但是在晶界处同时发生的位错湮灭，加上细晶粒Mo内有限的位错储存能力，导致应变硬化能力的快速耗尽，从而降低延展性。此外，氧化物颗粒的过度晶界偏析可在大的晶间氧化物颗粒和Mo基体之间的界面处引起严重的应力集中，导致界面脱粘和过早失效。因此，必须优化Mo合金中的氧化物分布，特别是晶间氧化物的量，以实现晶界稳定化和晶间断裂风险减轻之间的平衡。此外，氧化物的偏析行为影响烧结期间的晶粒生长，并随后影响热机械加工期间的再结晶织构，最终影响最终合金的性能。然而，特定氧化物在Mo基体中的晶界处偏析的趋势由固有的热力学性质决定，这对动态调节提出了挑战，并且氧化物分布对ODS-Mo合金中的微观结构演变和机械性质的影响仍然没有得到充分的理解。
除晶间氧化物外，晶内氧化物是影响细晶ODS-Mo合金塑性的另一个关键因素。这些晶内氧化物可以与位错相互作用，促进位错在晶粒内部的积累和补充，从而提高合金的加工硬化能力。晶内氧化物的作用类似于各种合金体系中的纳米沉淀物。然而，不同纳米沉淀物的位错累积能力不同，主要是由于它们与周围基体的界面结构不同。对于不可穿透的纳米沉淀物，位错倾向于在它们附近堆积，由于应力集中和损害延展性，增加了界面脱粘的风险。为了解决这个问题，研究人员已经在合金系统中引入了凝聚的纳米沉淀物，以达到强度和延展性之间的最佳平衡。这种设计策略已经成功地应用于钢，高强度铝合金和高熵合金。然而，在ODS-Mo合金的情况下，对晶粒内氧化物和Mo基体之间的界面结构如何影响延展性的关注有限。现有研究主要依赖于理论计算，以推断氧化物和Mo之间可能的界面结构。他们得出的结论是，La2O3和Y2O3倾向于与Mo形成非相干界面，而CeO2能够与Mo形成相干或半相干界面，其特征在于与其他氧化物相比失配位错较少，并且被认为对延展性具有有益的影响。尽管有这些理论见解，但缺乏实验验证，而不同氧化物-基体界面对ODS-Mo合金塑性的影响还有待于更全面的研究。迄今为止，已经成功地开发了各种ODS-Mo合金，包括Mo-La2O3、Mo-La2O3和Mo-ZrO2技术各不相同，但已经出现了一个明显的趋势：从固态粉末制备到液态合成的转变。与固态混合相比，液态合成提供了几个优点，如原子水平的均匀性，对氧化物分布的改进的控制，液-液法合成的Mo-La2O3合金经旋锻后的屈服强度为813 MPa，延伸率为37.5%，而固液法合成的Mo-La2O3合金经旋锻后，其屈服强度降低。通过类似的液—液路线制备的Mo-ZrO2合金也表现出优异的性能，其屈服强度达到555 MPa，总延伸率为38.4%。与传统的液-液方法相比，冷冻干燥进一步促进了细晶化的组织，使得Mo-La2O3合金能够获得1045 MPa的相对较高强度和21%的总延伸率。尽管合金制备方面取得了这些进展，但对不同氧化物在Mo基体中的分布状态以及氧化物-Mo界面结构的系统研究仍然有限。在这项工作中，我们着重研究了三种不同类型的氧化物的分布和金属—氧化物界面（La2O3，CeO2和（Ce，Y）xOy）三种氧化物在Mo合金中的分布，研究了它们对形变热处理后组织演变和材料力学性能的影响，我们在（Ce，Y）xOy分散的Mo合金中识别出CeO2（11）//Mo（200）非相干界面，其能够在不损害强度的情况下实现持续的位错累积并提高延展性。该项研究成果以“Controlling interface atomic structure and distribution of oxide particles for improved ductility in Mo alloys”为题，在线发表于国际材料期刊《Acta Materialia》。香港大学机械工程学院结构材料中心黄明欣教授、研究助理教授王铭博士为该论文通讯作者。该研究工作获得了国家自然科学基金（52425105、52130102）、香港研究资助局（C7045-19E、17307123）以及新基石科学基金会“探索者”计划的资助。
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645426000674?via%3Dihub
图1（a，d）Mo-Y2O3、（b，e）Mo-CeO2和（c，f）Mo-CeO2-Y2O3还原复合粉末的SEM和TEM形态，其中白色箭头表示氧化物颗粒。图2（a）退火态纯Mo、Mo-Y2O3、Mo-CeO2和Mo-CeO2-Y2O3合金的拉伸工程应力—应变曲线，实心三角形和圆形分别代表屈服点和均匀延伸率；（b）WHR与Mo-CeO2和Mo-CeO2-Y2O3合金的真应变曲线和真应力—应变曲线，实心正方形代表均匀延伸率。图3 显示烧结态Mo-Y2O3合金（a-c）、Mo-CeO2合金（d-f）和Mo-CeO2-Y2O3合金（g-i）中氧化物颗粒分布的暗场和平场TEM显微照片，黄色和绿色箭头分别表示晶内和晶间氧化物。图4（a-c）EBSD晶粒图和（d-f）晶界分布图，显示了烧结态Mo-Y2O3（a，d）、Mo-CeO2（b，e）和Mo-CeO2-Y2O3合金（c，f）的晶粒尺寸分布和晶界分布。平均晶粒尺寸显示在相应晶界图的右下角。图5 EBSD晶界分布图和取自横截面的IPF，显示了Mo-Y2O3（a，b）、Mo-CeO2（e，f）和Mo-CeO2-Y2O3合金（i，j）在锻造后以及Mo-Y2O3（c，d）、Mo-CeO2（g，h）和Mo-CeO2-Y2O3合金（k，l）。在相应的晶界图的右上角显示了特定状态下合金的平均晶粒尺寸。图6 退火态Mo-Y2O3（a-c）、Mo-CeO2（d-f）和Mo-CeO2-Y2O3（g-i）合金中氧化物和Mo基体之间界面的HRTEM图像和相应的FFT图像。Mo基体区域和氧化物区域用1和2表示，Mo的注释FFT图案叠加在氧化物的那些上以突出它们的界面相干性。用绿色圆圈表示。图7（a-e）（Ce，Y）xOy氧化物颗粒的HAADF-STEM图像和相应的EDS图。（f）[011]Mo区轴下（Ce，Y）xOy/Mo界面的高分辨率HAADF-STEM图像，其中方框表示界面和Mo矩阵。（g）Mo矩阵的FFT图案由（f）中的蓝色方框标记。（i）CeO2（200）//Mo（101）界面原子结构的侧视图，绿色、红色和蓝色球分别代表Ce/Y、O和Mo原子。图8 复合氧化物颗粒的代表性EDS光谱。图9（a）不同应变下中断的Mo-CeO2-Y2O3样品的同步加速器XRD曲线。（b）未变形的Mo-CeO2-Y2O3样品的同步加速器XRD曲线的测量和拟合，沿着与残余物。（c）从未变形的Mo-CeO2-Y2O3样品拟合的同步加速器XRD曲线的前五个峰获得的MWH图。图10 比较La2O3、Y2O3、CeO2和HfO2在Mo中的总偏析焓，化学能、界面能和弹性应变贡献解耦。图11 对应合金中CeO2（a）和（Ce，Y）xOy（d）颗粒在6%应变下的高分辨率HAADF-STEM图像，其中绿色箭头表示位错结构；（b，e）（a）和（d）中红框标记区域的磁共振图像；（c，f）从（b）和（e）中由蓝色和橙子虚线框标记的区域获得的IFFT图像，以掩盖CeO2（012）反射。图12 IPF图像（a，d，g）和相应的KAM图（b，e，h）分别显示了Mo-CeO2合金在0%，5%和10%应变下的显微组织演变和变形。细晶和粗晶区域标记为1和2。区域1和2中KAM值的统计分析如（c，f，i）所示。图13 Mo-CeO2和Mo-CeO2-Y2O3合金区域1和2中KAM值随应变增加的变化。图14 SEM形貌和相应的EBSD晶粒图，分别显示了Mo-CeO2合金在12%（a，d）、16%（b，e）和19.5%应变（c，f）下的裂纹成核和扩展。裂纹用白色箭头表示。图15（a）Mo-CeO2合金的断裂面，红色和绿色框分别表示粗晶区和细晶区，以及（b）粗晶区和（c）细晶区的放大断裂面。（d）Mo-CeO2-Y2O3合金的断裂面和（e）局部放大图像。
结论：新型（Ce，Y）xOy弥散强化Mo合金（y/x统计值约为1.7）能够协同控制界面原子结构和氧化物分布，获得优异的强度—塑性协同效应，屈服强度超过800 MPa，总延伸率达到33%。可以得出以下结论：
（1）（Ce，Y）xOy颗粒形成CeO2（11）//Mo（200）非共格界面，其中dCeO2(111)等于2dMo（200），这促进位错积累同时保持位错迁移率，导致与Y2O3颗粒（缺乏晶体取向关系的非共格界面）或CeO2颗粒（CeO2（200）//Mo（101）半共格界面）相比具有上级位错存储能力和均匀的延伸率。（2）（Ce，Y）xOy颗粒的晶界偏聚倾向介于Y2O3和CeO2之间，从而优化了晶间（~0.13 vol. %）和晶内（~0.91 vol. %）氧化物的比例，形成了均匀且完全再结晶的显微组织，从而降低了沿晶断裂的风险，进一步提高了延展性。（3）CeO2颗粒在晶界处的弱偏聚导致Mo-CeO2合金中不同组织区域的组织不均匀性和异常变形行为，粗晶区的延迟变形响应加剧了细晶区的应力集中，加速了合金的过早断裂。
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