タングステンの延性を改善する方法 - 知識

ユタ州ソルトレイクシティにあるユタ大学の研究者による研究では、タングステンの延性を改善する方法が説明されています。一般に、純粋なタングステンおよび少量の合金を含むタングステン合金は室温で脆く、延性から脆性への遷移温度 (DBTT) が高いと考えられています。タングステンの延性を改善することは、タングステンの製造と応用にとって非常に重要です。

タングステンの延性を改善するための多数の研究が数十年にわたって報告されてきましたが、タングステンの機械的特性とその微細構造への依存性に関する理解が不十分なため、これは依然として課題です。

タングステンとレニウムの合金化は、合金化によってタングステンの延性を改善する唯一の既知の方法です。近年、酸化物、炭化物などを含む添加剤の影響に関する多数の研究が報告されていますが、これらの添加剤がタングステンの延性に及ぼす影響は、これまで決定的ではないか、熱加工の影響下では明らかではありませんでした。タングステンの延性を改善するために超微粒子またはナノ結晶の微細構造を使用することは、有望に見える別のアプローチです。

タングステンは、ユニークな特性を持つ高融点金属です。すべての要素の中で最高の融点、高弾性率、高密度、高熱伝導率、および高温での優れた機械的特性を備えています。これらの特殊な特性により、タングステンは多くの用途に最適な材料となっています。近年、タングステンは、その高い融点、低いスパッタリング速度、および高いイオンスパッタリング耐食性により、核融合炉のプラズマ表面構成要素の材料の 1 つとしても認識されています。

ただし、タングステンの主な欠点は、室温での延性がほとんどなく、脆性遷移温度 (DBTT) への延性が非常に高いことです。タングステンの延性が低いため、機械加工性と過酷な用途での性能の両方に大きな課題が生じます。

延性を改善するために、研究者は2つの主な要因があることを示唆しています:密集した平面の本質的な欠如と粒界の不十分な結合です。さまざまな方法の中で、熱加工が最も効率的であることがわかっています。再結晶温度より低い温度で圧延することにより、タングステンのDBTTを700度以上から300度未満に下げることができます。圧延後のラメラ微細構造や高い転位密度など、いくつかの主要な要因が変形タングステンの延性の向上に寄与しています。

高温加工時の再結晶を最小限に抑えるために、従来の変形技術に基づく冷間加工も使用して、タングステンの延性を向上させます。タングステンの再結晶温度は非常に高いため、「冷間」処理は約 1400 度まで実行できます。このようにして、変形中のタングステンの再結晶と粒成長を防ぐことができ、その結果、材料のラメラ微細構造がより細かくなり、転位密度が高くなります。

400 度で冷間圧延されたタングステンは、高温圧延された材料と比較して、転位密度の増加、より低角度の結晶粒界、強度の大幅な改善、および DBTT の低下を示しています。

タングステンの延性を改善する別のよく知られた方法は、レニウムとの合金化です。いわゆる溶液軟化によるタングステンとレニウムの固溶体の形成により、タングステンのパイエルス応力を低減し、追加の滑り面を促進できることが報告されています。ただし、レニウムは高価な希少元素であるため、これらの合金は多くの用途には高価すぎます。同様の結果を達成するために、レニウムをタンタル、バナジウム、チタン、または他の元素で置き換えることにかなりの研究作業が向けられてきました。

しかし、これまでのところ、これらの合金元素の有効性に関する実験的証拠はほとんどありません。近年、金属やセラミックスの研究進歩に基づき、タングステンの延性を向上させる方法として、ナノ結晶や超微細構造が探求されています。ナノ結晶または超微細タングステン粒子を生成するために、トップダウンおよびボトムアップの方法が研究されてきました。