近期，中国科学院合肥物质院固体所内耗与固体缺陷研究部在高性能钨材料研究方面取得重要进展。通过巧妙设计原位固相反应，成功在钨基体中构建了高稳定、均匀弥散分布的核壳结构ZrO₂@WO₃纳米颗粒，克服了传统弥散强化钨材料中第二相颗粒易失稳和粗化的瓶颈问题，实现了钨材料低温强韧性与高温强度及稳定性的协同提升。相关成果以“Ultrahigh strength-ductility synergy and thermal stability in Tungsten enabled by core-shell ZrO₂@WO₃ nanoparticle dispersion”为题，发表在金属材料顶级期刊Acta Materialia(Acta Mater., 2025, DOI: 10.1016/j.actamat.2025.121755)上。

聚变堆材料，特别是面向等离子体材料（PFM），一直是制约聚变能发展的关键瓶颈之一。金属钨（W）因具有高熔点、高热导率等优点，成为理想的PFM候选材料。然而，纯钨材料在低温下强韧性不足，且高温工况下性能退化严重，亟需开发既具有低温强韧性，又能保持高温强度和稳定性的钨合金。第二相颗粒弥散强化能够通过钉扎位错、晶界来改善钨材料的力学性能。但是，传统弥散强化钨合金在高温制备过程中，弥散颗粒易粗化，导致颗粒与基体之间结合较差，严重限制了弥散强化效果。由于这一局限性，传统钨合金的低温强韧性提升十分有限，高温强度衰减问题突出，极大地制约了其在高温辐照环境下的实际应用。

鉴于此，研究团队通过巧妙地设计原位固相反应路径，在钨基粉体中引入碳化锆颗粒，并在高温烧结过程中，控制碳化锆与杂质氧反应，原位生成纳米尺寸的氧化锆（ZrO₂）颗粒。随后，通过高能率锻造工艺，借助ZrO₂颗粒的相变特性，促进氧元素在相界面处偏聚，最终在ZrO₂颗粒与钨基体之间形成WO₃壳层。表征结果显示，WO₃壳层与钨基体形成了共格界面，具有优异的热稳定性。经过高温烧结和锻造后，所制备的核壳结构ZrO₂@WO₃颗粒尺寸仅32纳米（图1）。特别是，该核壳结构颗粒与位错之间形成了独特的交互作用机制：位错会切过共格的W/WO₃界面，但被非共格的WO₃/ZrO₂界面有效阻碍。这种双重作用机制促进了位错复杂空间构型的形成（图2），显著提高了位错运动所需的临界应力，从而大幅提升了钨材料的高温抗拉强度。此外，微结构分析表明，约17%的ZrO₂颗粒为四方结构t-ZrO₂，这些t-ZrO₂颗粒在拉伸过程中发生相变，从而缓释应力，避免界面微裂纹的萌生，进一步提升材料的应变硬化能力。所制备的锻造态钨合金在室温下的抗拉强度高达1402 MPa，断后延伸率超过4%，与传统的钨合金相比具有显著优势。尤其是在800°C的高温条件下，钨合金仍能保持超过1 GPa的抗拉强度，展现出卓越的高温强度和稳定性（图3）。该研究工作为设计具有优异低温强韧性和高温强度稳定性的钨合金提供了新思路。

解雪峰博士后为该论文的第一作者，谢卓明研究员和吴学邦研究员为该论文的共同通讯作者。相关研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和合肥研究院院长基金的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121755

图1. 锻造态钨合金中颗粒尺寸及分布情况。

图2. 锻造态钨合金中位错-颗粒相互作用及位错构型的表征。

图3. 锻造态钨合金的拉伸性能。