導讀：本文研究了CrMnFeCoNi合金與316LN不銹鋼異種激光焊接接頭的顯微組織和力學性能。結果表明，采用激光束焊接獲得了無缺陷的異種接頭。焊接接頭的室溫和低溫極限強度均能達到母材的90 %以上。變形亞結構主要由平面位錯、層錯以及層錯解離成納米孿晶組成。低溫下納米孿晶的體積分數不斷增加。焊接接頭硬度波動較大，最低硬度位于熔合線附近的熔合區(qū)。焊接接頭的斷裂位于與硬度最低區(qū)域一致的熔合區(qū)。這主要歸因于該區(qū)域晶粒粗大和應力集中。

國際熱核能反應堆（ITER）項目的建設旨在驗證磁約束聚變能的科學和技術可行性，該能可以提供可持續(xù)的清潔能源。然而，ITER不是商業(yè)反應堆，因此開發(fā)了幾種DEMO概念設計，例如歐洲示范聚變發(fā)電廠（EU-DEMO），日本示范聚變反應堆（JA-DEMO），韓國聚變示范托卡馬克反應堆（K-DEMO）和中國聚變工程試驗堆（CFETR）。.由于大型磁體系統(tǒng)的動態(tài)發(fā)展，例如目前的DEMO反應堆，將需要具有更高強度和韌性的低溫結構材料來承受施加在導管護套中的磁體外殼和電纜上的嚴重電磁力，這些電磁力是由4.2 K的較大磁場引起的。例如，316LN奧氏體不銹鋼及其改性被選為ITER項目中的結構材料，因為它們具有優(yōu)異的性能，例如強度，韌性和延展性，可為線圈和超導材料（需要抵抗循環(huán)電磁力）提供結構強化，并減少線圈在4.2 K下運行時的應力和變形。

然而，預計將為DEMO反應堆開發(fā)具有較高設計屈服應力的材料，因此很難為磁體選擇對8.4 K極端工作條件的耐受材料。高熵合金（HEA）具有卓越的機械性能，使其成為在低溫下用作結構部件的潛在候選者，以承受磁體操作期間產生的洛倫茲力施加的高應力。考慮到加工周期和成本，在磁鐵部件的高應力區(qū)域將選擇具有較高強度和韌性的結構材料。但是，在低應力區(qū)域將使用11LN等普通材料。因此，有必要在制造過程中開發(fā)316LN和高熵合金之間的可靠焊接工藝。

多年來對高熵合金可焊性的累積工作，以了解微觀結構演變和焊接工藝優(yōu)化已有報道。一些報告?zhèn)戎赜诟哽睾辖鸬娜酆?，包括鎢極氣體保護焊，氣體保護金屬電弧焊，電子束焊接和激光束焊接。此外，固態(tài)技術也應用于高熵合金焊接。通常，高熵合金如CrMnFeCoNi合金在高能量密度焊接方法下具有良好的焊接性，并且沒有觀察到焊接接頭力學性能的明顯下降。如今，研究人員專注于不同的高熵合金焊接。Adomako等人生產了CrMnFeCoNi合金與雙相不銹鋼之間的健全接頭，獲得的焊接接頭強度低于母材，焊件中未發(fā)現有害的金屬間化合物或微偏析。Oliveira等人研究了CrMnFeCoNi合金與316不銹鋼之間異種焊接接頭的微觀組織演變及其對力學性能的影響，焊件中較大的柱狀晶粒導致焊接接頭的伸長率較低。

在聚變磁體結構的運行過程中，低溫下接頭的力學性能起著至關重要的作用，使其能夠承受嚴苛的運行要求，否則將暴露焊接接頭在極低溫度下的不充分斷裂行為。松山湖材料實驗室王偉、中國科學院理化技術研究所低溫重點實驗室肖揚等研究團隊對母材及其焊接件的力學性能進行了研究。盡管對母材及其焊接件的力學特性已有研究，但對高熵合金異種焊接接頭的微觀組織演變及低溫力學性能的研究仍較為缺乏。本文研究了CrMnFeCoNi合金與316LN低溫異種激光焊接接頭的微觀組織和力學性能。兩種材料的有效焊接將提高高熵合金作為聚變反應堆、氫能等應用的結構材料的潛力。相關研究成果以“Dissimilar laser welding of CrMnFeCoNi high entropy alloy and 316LN stainless steel for cryogenic application”為題，發(fā)表在《Journal of Materials Science & Technology》上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223004334

(1).通過激光焊接得到異種CrMnFeCoNi合金與316LN接頭，熔合區(qū)的顯微組織由單個FCC相組成，在晶界和內部晶粒處堆積高密度的無序位錯，該區(qū)域沒有明顯的孿晶、堆積斷層帶，且在該區(qū)域可見BCC相。

(2).異種焊接接頭的抗拉強度在室溫下為510 MPa，在820 K時為77 MPa，在測試溫度下可達到母材的約90%。焊接接頭的伸長率嚴重下降，特別是在77 K時。焊接接頭的硬度分布變化顯著，最低硬度值位于靠近高熵合金的熔合區(qū)。

圖1

焊接接頭的SEM/EDS線和圖圖像：（a）宏觀形貌，（b）線圖像的元素分布，（c）316LN側熔合線附近的圖圖像，（d）CrMnFeCoNi側熔合線附近的圖圖像和（e）熔合區(qū)中心的圖圖像。

圖2

焊接接頭的EBSD圖：（a）和（b）反極圖（IPF）圖，（c）晶界，（d）KAM圖，（e）和（f）相圖，（g）晶粒取向誤差角。

圖3

XRD數據顯示了焊接接頭中316LN、熔合區(qū)和高熵合金的圖案。

圖4

融合區(qū)中的TEM圖像：（a）TEM-BF圖像，（b）SAED圖案，顯示單相FCC結構，（c）和（d）晶界和內部晶粒附近的HRTEM圖像（帶有FFT圖案插圖）。

圖5

焊接接頭的拉伸性能：（a）室溫和77K處的應力-應變曲線，（b）室溫下斷裂面的SEM圖像，（c）77K處斷裂表面的SEM圖像，（d）顆粒的EDS分析。

圖6

納米壓痕結果：（a）焊接接頭的硬度分布，（b）和（c）兩側熔合線附近的典型載荷-位移曲線。

圖7

斷裂表面附近焊接接頭的EBSD圖像：（a）室溫時的IPF圖，（b）室溫下的放大BC圖像，（c）室溫下的KAM圖像，（d）室溫時的相位圖，（e）77 K時的IPF圖，（f）77 K處的放大BC圖像，（g）77 K處的KAM圖像，（h）77 K處的相位圖。

圖8

室溫下斷裂區(qū)域附近變形子結構的TEM圖像：（a）變形子結構的形成，（b）圖8（a）放大視圖中變形子結構的細節(jié)，（c）從變形帶（帶有FFT圖案插圖）獲取的HRTEM圖像，（d）圖8（c）的反快速傅里葉變換（IFFT）。

綜上所述，研究了CrMnFeCoNi合金與316LN不銹鋼異種激光束焊接接頭在室溫和低溫下的組織與力學性能。使用SEM，XRD，EBSD和TEM技術的組合檢查了微觀結構演變。根據這些結果，可以得出以下結論。在室溫和77 K的熔合區(qū)均發(fā)生斷裂，由于該區(qū)域的粗晶和應力集中，硬度值最低。斷裂表面表現出延性斷裂模式的典型致密凹陷和微孔隙。在塑性變形過程中，孿晶主導了變形過程，未觀察到馬氏體轉變。焊接接頭的抗拉強度較高是由于產生的變形孿晶，特別是在低溫下。異種激光焊接接頭的高強度有利于其在低溫工程中的應用前景。