松山湖材料實驗室JMST：優(yōu)質(zhì)焊接性能助力高熵合金低溫應(yīng)用
2024-02-01 16:33:26
作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng)
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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(xué)性能。系統(tǒng)分析了不同變形溫度下焊縫中的顯微組織演變對力學(xué)性能的影響規(guī)律及其微觀機理。焊接接頭的室溫和低溫抗拉強度均能達到母材強度的90 %以上，為未來高熵合金作為低溫結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于核聚變超導(dǎo)磁體、氫能源以及航空航天領(lǐng)域提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。目前，316LN奧氏體不銹鋼由于具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能被選為國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目中的結(jié)構(gòu)材料。然而，隨著核聚變超導(dǎo)磁體磁體系統(tǒng)的不斷升級，將需要具有更高強度和韌性的低溫結(jié)構(gòu)材料來抵抗施加在鎧甲及其超導(dǎo)材料上的強大電磁力。高熵合金（HEA）具有卓越的機械性能（高強高韌），使其成為在低溫下使用的潛在候選結(jié)構(gòu)材料，以承受超導(dǎo)磁體服役期間產(chǎn)生的洛倫茲力施加的高應(yīng)力。另一方面，考慮到加工周期和成本，在大型超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，高應(yīng)力區(qū)域部件將選擇具有較高強度和韌性的結(jié)構(gòu)材料，低應(yīng)力區(qū)域?qū)⑹褂?16LN等奧氏體不銹鋼材料。因此，有必要在部件的制造過程中開展316LN和高熵合金之間的可靠焊接工藝研究。本工作旨在研究316LN/高熵合金異種焊接接頭的微觀組織演變及低溫力學(xué)性能，推動高熵合金材料在大科學(xué)裝置及氫能源等領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。松山湖材料實驗室王維研究員與中科院理化所李來風(fēng)研究員團隊（楊瀟副研究員）以及南昌航空大學(xué)王善林教授等單位科研人員合作，通過研究CrMnFeCoNi合金與316LN異種激光焊接接頭在塑性變形過程中的組織演變發(fā)現(xiàn)，室溫條件下焊縫的變形組織主要由位錯、層錯和變形孿晶組成，孿生和位錯滑移相互競爭、相互促進，共同實現(xiàn)材料的塑性變形。當(dāng)變形溫度降低至77K時，變形孿晶的體積分數(shù)逐漸增大，位錯滑移顯著受到抑制，變形孿晶的形成主導(dǎo)了塑性變形過程。此外，低溫條件下并未發(fā)現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變。獲得的優(yōu)異焊接接頭力學(xué)性能，將提高高熵合金作為聚變反應(yīng)堆、氫能源以及航天航天等領(lǐng)域結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的潛力。相關(guān)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。圖1 焊接接頭的SEM圖：（a）焊接接頭宏觀形貌，（b）EDS線掃描的元素分布圖，（c）316LN側(cè)熔合線附近的EDS圖，（d）CrMnFeCoNi側(cè)熔合線附近的EDS圖，（e）熔合區(qū)中心的ESD圖。圖2 焊接接頭的EBSD圖：（a）和（b）反極圖（IPF），（c）晶界分布圖，（d）KAM圖，（e）和（f）相圖，（g）晶界取向差圖。圖3焊接接頭中316LN、焊縫區(qū)和高熵合金不同區(qū)域的XRD圖。圖4 焊縫區(qū)域的TEM圖：（a）TEM-BF圖，（b）SAED圖，顯示單相FCC結(jié)構(gòu)，（c）和（d）晶界和晶粒內(nèi)部的HRTEM圖（帶FFT圖）。圖5 焊接接頭的拉伸性能：（a）室溫和77K的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（b）室溫下斷口SEM圖，（c）77K斷口SEM圖，（d）顆粒的EDS分析。圖6 納米壓痕測試：（a）焊接接頭的硬度分布圖，（b）和（c）兩側(cè)熔合線附近的典型載荷-位移曲線。圖7 焊接接頭斷口附近的EBSD圖：（a）室溫IPF圖，（b）室溫放大BC圖，（c）室溫KAM圖，（d）室溫相圖，（e）77 K IPF圖，（f）77 K放大BC圖，（g）77 K KAM圖，（h）77 K相圖。圖8 室溫下斷口附近變形組織的TEM圖：（a）變形亞結(jié)構(gòu)，（b）圖8（a）放大圖顯示變形亞結(jié)構(gòu)，（c）變形帶的HRTEM圖（帶FFT插圖），（d）圖8（c）的反傅里葉變換圖（IFFT）。圖9 77K下斷口附近變形組織的TEM圖：（a）變形亞結(jié)構(gòu)，（b）圖9（a）放大圖顯示變形亞結(jié)構(gòu)（帶FFT插圖），（c）和（d）圖8（b）的反傅里葉變換圖（IFFT）。圖10 斷口附近TEM樣品的TKD圖：（a）室溫BC圖，（b）室溫IPF圖，（c）室溫相圖，（d）77K BC圖，（e）77K IPF圖，（f）77K相圖.本文系統(tǒng)研究了CrMnFeCoNi高熵合金與316LN奧氏體不銹鋼異種激光焊接接頭在室溫和低溫下的顯微組織與力學(xué)性能。利用SEM，XRD，EBSD和TEM等技術(shù)分析了塑性變形過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變對力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，焊接接頭的室溫和低溫抗拉強度均能達到母材強度的90 %以上。在77K低溫塑性變形過程中，孿晶主導(dǎo)了變形過程，并未發(fā)現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變。未來實現(xiàn)高熵合金性能的更大提升，以及優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭并對異種接頭4.2K條件下的顯微組織演變規(guī)律和力學(xué)性能的相關(guān)性開展深入研究，這將有利于推動高熵合金在低溫工程中的實際應(yīng)用。論文地址：Jijun Xin, Wei Wang, Xiao Yang, Mebrouka Boubeche, Shanlin Wang, Hengcheng Zhang, Chuanjun Huang, Yong Li, Bingkun Lyu, Fuzhi Shen, Wentao Sun, Laifeng Li, Dissimilar laser welding of CrMnFeCoNi high entropy alloy and 316LN stainless steel for cryogenic application, J. Mater. Sci. Technol. 163 (2023) 158-167.王維，松山湖材料實驗室實用超導(dǎo)研究團隊研究員，博士生導(dǎo)師，廣東省重大人才工程青年拔尖人才，中國船舶軍民融合發(fā)展研究中心智庫專家，廣東省高層次人才評審專家，東莞市特色人才，材料人網(wǎng)2023年度優(yōu)秀青年科學(xué)家。長期致力于實用超導(dǎo)相關(guān)低溫材料與系統(tǒng)研發(fā)。主持了科技部重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金面上、粵莞聯(lián)合基金重點項目、廣東省JMRH專項資金等國家、省部級橫縱向項目20余項。Microstructures，金屬學(xué)報期刊青年編委，在Adv. Mater.，J. Mater. Sci. Technol., Scripta Mater. 和Mater. Des.等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文56篇，受理/授權(quán)專利14項。楊瀟，中科院理化所副研究員。近年來，主持縱向國家、地方縱向科研項目/課題和科學(xué)院科研項目7項，橫向技術(shù)開發(fā)項目4項。獲省部級學(xué)術(shù)獎勵2次。參編并出版高熵合金材料方向科研專著1部。主要從事高熵材料的設(shè)計、研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究，已在Journal of Materials Science & Technology，Materials Science and Engineering: A，Materials & Design，Journal of Alloys and Compounds等國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，總引用次數(shù)超3000次。信紀軍，松山湖材料實驗室副研究員，在中科院等離子體物理研究所工作期間，主要從事聚變堆超導(dǎo)磁體設(shè)計及制造相關(guān)方面的工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究，參與ITER PF6極向場線圈采購包、ITER CC校正場線圈采購包以及中國聚變工程試驗堆（CFETR）的測試平臺相關(guān)部件的關(guān)鍵制造工藝及技術(shù)研發(fā)。2020年7月加入松山湖材料實驗室實用超導(dǎo)薄膜研究團隊，主要開展低溫結(jié)構(gòu)材料、低溫測試技術(shù)以及超導(dǎo)磁體技術(shù)研發(fā)等工作。目前發(fā)表學(xué)術(shù)論文 50余篇，申請發(fā)明專利 20余項。課題組長期招聘金屬材料，高熵合金等方向的博士后，歡迎加盟團隊開展合作。http://scmaterials.sslab.org.cn/
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