为了理解通过粉末冶金液相烧结制备的多相异质结构W-Ta-Ni-Fe合金的微观结构与力学性能之间的相关性

《Materials Science and Engineering: A》：Towards understanding the microstructure-mechanical property correlations of multi-phase heterogeneous-structured W-Ta-Ni-Fe alloys prepared by powder metallurgy liquid phase sintering

W-Ni-Fe合金中添加5%Ta可显著降低烧结活化能至10-20 kJ/mol，加速致密化进程，形成多相异构结构，使合金抗拉强度达1086.72 MPa（较传统合金提升20%），延伸率19.23%，相对密度97.49%，并细化W颗粒至5.06 μm。

　　本研究围绕一种新型的多相钨-Ta-Ni-Fe合金展开，旨在突破传统钨-镍-铁（W-Ni-Fe）合金的性能瓶颈，并拓展其应用范围。传统的W-Ni-Fe合金具有高密度、高强度和高硬度等特性，被广泛应用于国防、军事和航空航天等领域。然而，这类合金存在两个主要问题：一是γ-(Ni,Fe)相的强度较低，二是钨本身的脆性使得整体材料的韧性不足。因此，研究如何通过引入Ta元素来改善这些性能成为关键课题。

Ta元素的加入可以显著改变W-Ni-Fe合金的微观结构。通过粉末冶金技术直接添加Ta，并在真空条件下进行液相烧结，可以制备出具有多相结构的W-Ta-Ni-Fe合金。研究发现，随着Ta含量的增加，合金的烧结活化能大幅下降，从传统W-Ni-Fe合金的130.19 kJ/mol降至10至20 kJ/mol之间。这意味着Ta的加入极大地促进了烧结过程，提高了材料的致密化程度。同时，Ta的引入还导致多种金属间化合物（IMCs）的形成，从而改变了合金的微观结构，使其从单一相转变为多相异质结构。这种结构的转变不仅影响了合金的机械响应，还改变了其断裂失效模式。

在实验中，研究人员制备了四种不同Ta含量的90(W-xTa)-7Ni-3Fe合金，其中x分别为0、5、10和15（重量百分比）。这些合金在不同的烧结温度（1400°C、1450°C和1500°C）下进行了烧结处理。结果显示，当Ta含量为5 wt.%时，合金表现出最佳的综合机械性能。此时，合金的抗拉强度达到1086.72 MPa，比传统W-Ni-Fe合金在1500°C下烧结的907.07 MPa提高了约20%。同时，合金的总延伸率保持在19.23%，相对密度达到97.49%，并且钨颗粒的尺寸被细化至5.06 μm。这些数据表明，适量的Ta添加能够有效提升合金的综合性能，而过量添加则可能带来负面效应。

通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段对合金的微观结构进行了详细分析。研究发现，在烧结温度为1400°C时，W-NF合金的钨颗粒呈现不规则的多边形形态，说明其溶解和沉淀过程并未完全发生。然而，当Ta含量增加至5 wt.%时，钨颗粒开始溶解并逐渐球化，形成更均匀的分布。随着Ta含量进一步增加，钨颗粒的球化程度提高，但其尺寸也逐渐增大，这可能与Ta与Ni之间的共晶反应有关。共晶反应在1400°C以上发生，导致液相的形成，从而促进钨颗粒的溶解和再沉淀。然而，当Ta含量达到15 wt.%时，虽然钨颗粒的尺寸进一步增加，但其球化效果不如5 wt.%的合金显著，这可能是因为液相的增加使得钨颗粒的再沉淀过程受到干扰。

此外，研究还发现，随着Ta含量的增加，合金中出现了多种新的金属间化合物，如Fe₂Ta和Ni₃Ta。这些化合物的形成不仅影响了合金的微观结构，还对机械性能产生了重要影响。例如，Ni₃Ta相虽然能够增强γ-(Ni,Fe)相的强度，但由于其较高的界面不匹配程度，反而会降低合金的韧性。而Fe₂Ta相则因界面不匹配更大，更容易成为微裂纹的起始点，导致合金在受力时迅速失效。因此，Ta含量对合金性能的影响具有双刃剑效应，需要在优化烧结工艺和控制Ta含量之间找到平衡点。

为了进一步理解Ta对烧结行为和断裂机制的影响，研究还对不同烧结温度下的合金进行了力学性能测试。结果显示，随着烧结温度的升高，W-NF合金的抗拉强度和总延伸率均有所提升。然而，当Ta含量增加至5 wt.%时，合金的性能不再随烧结温度的升高而显著变化，说明此时合金已经达到了最佳的致密化状态。而对于Ta含量更高的合金，如W-10-NF和W-15-NF，其抗拉强度和总延伸率则呈现出下降趋势。这可能是由于随着Ta含量的增加，合金中IMCs的体积分数也增加，这些脆性相的存在削弱了材料的延展性和韧性。

研究还通过电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）等技术分析了合金的相组成和晶粒结构。结果显示，Ta的加入显著降低了烧结活化能，使得合金在较低的烧结温度下就能实现良好的致密化。同时，Ta与Ni形成的金属间化合物在γ-(Ni,Fe)相中起到强化作用，但这些化合物的存在也带来了界面脆性问题，使得合金在受力时容易沿着这些界面产生裂纹扩展。因此，如何在提高合金强度的同时避免IMCs带来的脆性问题，成为进一步研究的关键。

在断裂行为方面，研究发现，传统W-Ni-Fe合金的断裂表面通常表现为W-W界面断裂和γ-(Ni,Fe)相的韧性断裂。然而，随着Ta的加入，合金的断裂模式发生了变化。W-5-NF合金在烧结温度为1450°C时，其断裂表面显示出较多的W-W界面断裂，同时伴随着γ-(Ni,Fe)相的脆性断裂。这表明，Ta的加入虽然提高了合金的强度，但也降低了其韧性。而W-10-NF和W-15-NF合金由于IMCs的大量形成，其断裂模式更加明显，呈现出更多的脆性断裂特征。

综合来看，Ta的加入对W-Ni-Fe合金的性能产生了显著影响。适量的Ta能够有效降低烧结活化能，促进致密化过程，提高合金的强度和韧性。然而，过量的Ta会导致金属间化合物的大量形成，这些化合物的脆性特征会降低合金的延展性和韧性。因此，研究认为，最佳的Ta含量为5 wt.%，此时合金能够实现较高的抗拉强度和良好的延展性，同时保持较高的相对密度和较细的钨颗粒尺寸。这一发现为设计新型高强度、高韧性钨合金提供了重要的理论依据和实验支持。

此外，研究还强调了烧结温度对合金性能的影响。当烧结温度升高至1500°C时，W-NF合金能够实现完全的溶解-沉淀过程，从而形成更均匀的微观结构。然而，对于含有较高Ta含量的合金，如W-15-NF，烧结温度的升高反而会导致钨颗粒尺寸的快速增大，进而降低合金的韧性。这表明，烧结温度的控制对于优化合金性能至关重要。

最后，研究提出了一个全新的合金设计思路，即通过调控Ta含量和烧结温度，可以在一定程度上平衡合金的强度和韧性。这种设计方法不仅能够提高传统W-Ni-Fe合金的综合性能，还可能为未来开发高性能钨合金提供新的方向。研究结果表明，Ta的加入能够有效改善W-Ni-Fe合金的烧结行为和断裂机制，为实际应用提供了重要的理论依据和技术支持。