松山湖材料實驗室JMST：優質焊接性能助力高熵合金低溫應用
2024-02-01 16:33:26
作者：材料學網 來源：材料學網
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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性能。系統分析了不同變形溫度下焊縫中的顯微組織演變對力學性能的影響規律及其微觀機理。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構材料應用于核聚變超導磁體、氫能源以及航空航天領域提供了基礎數據和理論支撐。目前，316LN奧氏體不銹鋼由于具有優異的綜合力學性能被選為國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目中的結構材料。然而，隨著核聚變超導磁體磁體系統的不斷升級，將需要具有更高強度和韌性的低溫結構材料來抵抗施加在鎧甲及其超導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構材料，以承受超導磁體服役期間產生的洛倫茲力施加的高應力。另一方面，考慮到加工周期和成本，在大型超導磁體結構設計過程中，高應力區域部件將選擇具有較高強度和韌性的結構材料，低應力區域將使用316LN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性能，推動高熵合金材料在大科學裝置及氫能源等領域的工程化應用。松山湖材料實驗室王維研究員與中科院理化所李來風研究員團隊（楊瀟副研究員）以及南昌航空大學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現，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，共同實現材料的塑性變形。當變形溫度降低至77K時，變形孿晶的體積分數逐漸增大，位錯滑移顯著受到抑制，變形孿晶的形成主導了塑性變形過程。此外，低溫條件下并未發現馬氏體轉變。獲得的優異焊接接頭力學性能，將提高高熵合金作為聚變反應堆、氫能源以及航天航天等領域結構材料應用的潛力。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側熔合線附近的EDS圖，（d）CrMnFeCoNi側熔合線附近的EDS圖，（e）熔合區中心的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、焊縫區和高熵合金不同區域的XRD圖。圖4 焊縫區域的TEM圖：（a）TEM-BF圖，（b）SAED圖，顯示單相FCC結構，（c）和（d）晶界和晶粒內部的HRTEM圖（帶FFT圖）。圖5 焊接接頭的拉伸性能：（a）室溫和77K的應力-應變曲線，（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）變形亞結構，（b）圖8（a）放大圖顯示變形亞結構，（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）變形亞結構，（b）圖9（a）放大圖顯示變形亞結構（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性能。利用SEM，XRD，EBSD和TEM等技術分析了塑性變形過程中的微觀結構演變對力學性能的影響。結果表明，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，孿晶主導了變形過程，并未發現馬氏體轉變。未來實現高熵合金性能的更大提升，以及優化焊接工藝參數，獲得優質的焊接接頭并對異種接頭4.2K條件下的顯微組織演變規律和力學性能的相關性開展深入研究，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研究團隊研究員，博士生導師，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2023年度優秀青年科學家。長期致力于實用超導相關低溫材料與系統研發。主持了科技部重點研發計劃課題、國家自然科學基金面上、粵莞聯合基金重點項目、廣東省JMRH專項資金等國家、省部級橫縱向項目20余項。Microstructures，金屬學報期刊青年編委，在Adv. Mater.，J. Mater. Sci. Technol., Scripta Mater. 和Mater. Des.等學術期刊上發表論文56篇，受理/授權專利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/課題和科學院科研項目7項，橫向技術開發項目4項。獲省部級學術獎勵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計、研發及產業化應用研究，已在Journal of Materials Science & Technology，Materials Science and Engineering: A，Materials & Design，Journal of Alloys and Compounds等國內外學術期刊上發表學術論文40余篇，總引用次數超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磁體設計及制造相關方面的工程應用基礎研究，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）的測試平臺相關部件的關鍵制造工藝及技術研發。2020年7月加入松山湖材料實驗室實用超導薄膜研究團隊，主要開展低溫結構材料、低溫測試技術以及超導磁體技術研發等工作。目前發表學術論文 50余篇，申請發明專利 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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