晶内/晶界双级颗粒分布对Mo-La2O3合金高温蠕变性能的影响及其内在蠕变机理研究

Abstract: In this project, Mo-La2O3 alloys with intragranular/intergranular dual La2O3 particle distribution will be prepared by using an advanced liquid-liquid (L-L) doping technology. High-temperature creep properties will be systematically investigated and the corresponding microstructural features will be comprehensively characterized, aiming to reveal the coupling effect of dual particles on the creep properties and underlying creep mechanisms, solely and in combination. For this purpose, the relative weight between intragranular and intergranular La2O3 particles will be variably tailored by controlling the preparation technique, which leads to the development of preparing technology-particle distribution-mechanical properties relations at room temperature and high temperatures, respectively. This will make it possible to achieve an optimal combination between room-temperature mechanical properties and high-temperature creep properties. Besides, Mo-La2O3 alloys with single intergranular La2O3 particle distribution will be also prepared for comparison by using traditional liquid-solid or solid-solid doping technology, in order to demonstrate the separate effect of intergranular particles on creep properties and creep mechanism. Finally, a micromechanics model and unified theoretical framework for the creep behaviors of Mo-La2O3 alloys with difference particle distributions. The research results will be helpful for the determination of optimized dual-scale particle distribution in the 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 a wider application range.

本申请拟针对含有晶内/晶界双级第二相颗粒分布的液液掺杂Mo-La2O3合金，通过高温蠕变性能测试与微观组织表征，阐明双级第二相颗粒对高温蠕变性能的耦合影响。系统研究液液掺杂工艺对晶内纳米氧化镧颗粒和晶界亚微米氧化镧颗粒相对权重的调控规律，建立液液掺杂Mo-La2O3合金制备工艺-颗粒分布-力学性能之间的关联，以实现高温蠕变性能与室温力学性能之间的最优化匹配。同时为澄清多重影响中的单因素相关性，对比研究传统掺杂工艺制备的单一晶界颗粒分布Mo-La2O3合金的蠕变行为，明确第二相颗粒分布和形态对位错运动的影响，揭示第二相颗粒单级分布对蠕变性能和蠕变机理的单独影响。进一步构建不同颗粒分布特征下Mo-La2O3合金高温蠕变的微观力学模型和统一理论框架。研究结果将确定双级颗粒分布钼合金室温/高温强韧化的最佳微观组织，并为获得应用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。

钼具有高的熔点(2620℃)、高的弹性模量、低的热膨胀系数和良好的高温力学性能与抗腐蚀性能，且不具备因改变温度而发生晶体学相变的性质，因此受到了广泛的关注，并成为了下一代高温合金的重要备选材料之一。然而，一方面纯钼室温和高温强度不足；另一方面，由于韧脆转变温度较高，纯钼表现出严重的室温脆性，极大地限制了纯Mo的工业应用。大量研究表明，掺杂稀土氧化镧不仅能够提高纯钼的室温强韧性，而且大大提高了合金微观组织的热稳定性，对改善高温力学性能也非常有利。本项目以稀土氧化镧掺杂钼合金（Mo-La2O3）为研究对象，着重围绕其微观组织的演变机制和力学性能进行了研究，特别是对高温蠕变机理和低温变形机理进行了详细的探讨，得到主要结论如下：1）阐明了温度和颗粒含量对纯Mo和Mo-La2O3合金微观组织和室温延性的耦合影响机制。变形态纯Mo在1050℃退火后发生了再结晶，具有明显的室温脆性。得益于La2O3颗粒对晶界强烈的钉扎作用，Mo-0.6La2O3 (wt.%)在1400℃退火后晶粒仍然呈现细长的纤维状形态。由于有利和不利因素的相互竞争，随着退火温度的升高，合金延性对氧化镧含量的变化关系由单调递减到先升后降，再到单调递增的不同变化趋势；2）揭示了氧化镧颗粒对Mo合金高温蠕变性能的影响机制。研究结果表明，高温下晶内纳米级氧化镧颗粒对位错攀移的阻力是Mo-La2O3合金的主要强化机制。与纯钼相比，合金的蠕变应力指数和激活能明显升高。合金的蠕变延性受蠕变温度和颗粒分布特征的共同影响；3）澄清了变形诱发纯钼低温塑性的内在机理。通过TEM原位观察低温（-50℃）下位错的运动发现，以“位错环扩展”为主导的位错运动促进了位错之间的相互作用和增殖，从而改善纯钼的低温延性。本项目的主要结论对开发高性能的难熔金属合金具有重要理论指导意义。