鎢基高溫合金的化學(xué)性質(zhì)是其應(yīng)用的關(guān)鍵。其主要缺陷是在高溫有氧環(huán)境中易氧化生成揮發(fā)性三氧化鎢。在不同環(huán)境中，其耐腐蝕性差異顯著，耐非氧化性酸和液態(tài)金屬，但不耐強(qiáng)氧化性酸、堿及高溫氮?dú)?。在核聚變環(huán)境中，鎢對(duì)氫同位素滯留低，但面臨等離子體污染與中子輻照產(chǎn)生氦泡等問(wèn)題。通過(guò)合金化可調(diào)控鎢基高溫合金性能，如添加錸改善塑性，添加鉭、鉿提升高溫強(qiáng)度，而添加鎳、鐵等粘結(jié)相或稀土氧化物彌散相則分別影響其加工性與高溫穩(wěn)定性。
一、鎢基高溫合金的高溫抗氧化性
鎢基高溫合金在高溫有氧環(huán)境下的抗氧化能力較差，這是限制其應(yīng)用的主要化學(xué)缺陷。
當(dāng)溫度超過(guò)500℃時(shí)，鎢會(huì)與氧氣反應(yīng)生成三氧化鎢。三氧化鎢的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都比較低，高溫下蒸氣壓較高，所以無(wú)法在材料表面形成緻密的保護(hù)膜，而是以蒸氣形式持續(xù)揮發(fā)，導(dǎo)致材料不斷損耗。在800℃以上的空氣中，這一氧化過(guò)程會(huì)明顯加快，材料可能在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重失效。
針對(duì)抗氧化性差這一問(wèn)題，主要的防護(hù)策略有三種。目前最常用的防護(hù)方法是表面塗層技術(shù)。矽化物塗層以及MCrAlY結(jié)合熱障塗層的體系，能夠在高溫下形成穩(wěn)定的保護(hù)層。近年來(lái)的研究顯示，採(cǎi)用多元合金塗層，通過(guò)多種元素的協(xié)同作用，可以進(jìn)一步提高高溫抗氧化性能。另一種方式是通過(guò)環(huán)境控制，在真空或惰性氣氛中使用材料，從源頭上避免與氧氣接觸。除了表面塗層、環(huán)境控制，也可以通過(guò)合金化來(lái)嘗試改善抗氧化性，例如加入鉻、鈦等元素，以促進(jìn)形成三氧化二鉻之類(lèi)的保護(hù)性氧化膜。但單純依靠合金化對(duì)鎢基體抗氧化性能的提升作用有限，通常需要與表面塗層技術(shù)結(jié)合使用才能獲得更好的效果。
鎢基高溫合金的高溫抗氧化性
二、鎢基高溫合金的耐腐蝕性
鎢基高溫合金的耐腐蝕性與其所處的環(huán)境介質(zhì)密切相關(guān)。
在無(wú)氧環(huán)境中，鎢基高溫合金對(duì)非氧化性酸如鹽酸和稀硫酸表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性，但在強(qiáng)氧化性酸如濃硝酸中容易被腐蝕。在鹼性溶液中，例如氫氧化鈉，耐腐蝕性較差，尤其是在高溫條件下，鎢基高溫合金容易生成可溶性的鎢酸鹽而發(fā)生溶解。在液態(tài)金屬環(huán)境中，如作為先進(jìn)核反應(yīng)爐冷卻劑的液態(tài)鈉或鋰，該合金表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性。
高溫氣體環(huán)境中，材料的表現(xiàn)也各不相同。鎢基高溫合金在無(wú)氧的氫氣或惰性氣體中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但當(dāng)溫度超過(guò)2000℃時(shí)，會(huì)與氮?dú)夥磻?yīng)生成氮化物。在含有硫、氯等腐蝕性成分的氣體環(huán)境中，雖然可能形成硫化物或氯化物，但反應(yīng)速率通常較慢。
三、鎢基高溫合金在核環(huán)境中的化學(xué)行為
鎢基高溫合金在核聚變堆等裝置中作為面向等離子體材料，其化學(xué)行為直接關(guān)係到裝置的安全運(yùn)行和長(zhǎng)期性能。
鎢對(duì)氚以及其他氫同位素的滯留率相對(duì)較低，這一化學(xué)性質(zhì)有利於聚變堆的燃料迴圈效率，並能降低相關(guān)的放射性安全風(fēng)險(xiǎn)。
在等離子體環(huán)境中，鎢的濺射速率較低，但被等離子體濺射出來(lái)的鎢原子會(huì)進(jìn)入等離子體核心區(qū)，對(duì)等離子體產(chǎn)生污染，從而降低聚變反應(yīng)的效率。此外，在高通量中子輻照條件下，材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生複雜的協(xié)同效應(yīng)，例如產(chǎn)生氦氣泡等缺陷，這些缺陷可能進(jìn)一步增加氫同位素的滯留，同時(shí)導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)起泡、剝落等現(xiàn)象，對(duì)材料的完整性和使用壽命構(gòu)成一定影響。
四、鎢基高溫合金合金化元素的化學(xué)作用
通過(guò)添加不同的合金元素，可以對(duì)鎢基高溫合金的化學(xué)和力學(xué)性能進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)控。
添加錸主要是為了利用其特有的“錸效應(yīng)”來(lái)顯著提高合金的塑性，並降低其韌脆轉(zhuǎn)變溫度。
鉭和鉿等元素主要起固溶強(qiáng)化的作用，其核心貢獻(xiàn)在於提升合金在高溫環(huán)境下的強(qiáng)度。
鎳、鐵和銅通常作為粘結(jié)相使用，能夠改善材料的韌性和加工性能。但由於這些元素熔點(diǎn)較低，加入後可能會(huì)形成低熔點(diǎn)相，對(duì)合金的高溫抗氧化性和耐腐蝕性產(chǎn)生一定不利影響。
摻入稀土氧化物或碳化物等彌散強(qiáng)化相，能有效抑制晶粒在高溫下長(zhǎng)大、淨(jìng)化晶界，並通過(guò)形成穩(wěn)定相來(lái)提高合金的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性和耐腐蝕性，例如，採(cǎi)用離子摻雜技術(shù)可以進(jìn)一步細(xì)化這些氧化物顆粒，從而優(yōu)化其強(qiáng)化效果。
鎢基高溫合金常用合金化元素及其作用
