北科Mater. Sci. Eng.，A: 低活化鐵素體-馬氏體鋼與316L不銹鋼焊后熱處理過程中的異種焊接接頭組織演變研究

【引言】

國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）中，常用低活化鐵素體/馬氏體（RAFM）鋼作為實驗包層模塊（TBM）的主要候選結構材料，因為其優異的熱物理性能和熱機械性能屬性。通過對常規Mod.9Cr-1Mo鐵素體-馬氏體鋼進行改性設計，分別用W和Ta代替Mo和Nb，以促進聚變反應器輻照后誘導放射性快速衰減，從而設計出RAFM鋼的化學成分。一些RAFM鋼已被考慮為ITER制造TBM，包括Eurofer-97（歐洲）、F82H（日本）、CLAM（中國）、9Cr2WTa（ORNL美國）和INRAFM鋼（印度），然而，用于制造其他部件的材料，如直接連接到TBM的真空容器和冷卻管是316L（N）不銹鋼。RAFM和316L鋼之間的異種接頭在聚變反應堆的制造中是不可或缺的。目前采用的焊接RAFM和316L奧氏體不銹鋼方法有，鎢極惰性氣體（TIG）焊接、攪拌摩擦焊（FSW）、激光束焊接和電子束焊接（EBW）。根據最大限度地減少焊縫變形和體積的要求，特別是在焊接厚板時，高能束（HEB）技術如激光和電子束焊接，非常適合焊接RAFM和316L不銹鋼。

【成果簡介】

近日，北京科技大學楊善武(通訊作者)等人在期刊Mater. Sci. Eng.,A上發表了最新的研究，題目為“Microstructural evolution of dissimilar welded joints between reduced-activation ferritic-martensitic steel and 316L stainless steel during the post weld heat treatment”的文章。在研究中，通過使用電子束焊接（EBW）將低活化鐵素體-馬氏體（RAFM）鋼與316L不銹鋼結合，研究焊后熱處理（PWHT）過程中熱影響區（HAZ）和焊縫金屬（WM）的微觀組織演變和力學性能變化。研究結果表明，受較高溫度熱處理的樣品的WM發生逆向奧氏體相變和隨后的馬氏體相變，而在HAZ中沒有相變。同時這個效應也解釋了對應于PWHT的WM的硬度和強度的變化，同時通過兩步焊后熱處理獲得了不同焊縫中HAZ和WM的優化性能。

【圖文導讀】

圖1. 電子束焊接過程及設計拉伸式樣示意圖

（a）EBW過程的示意圖

（b）不同接頭中的橫向和縱向拉伸試樣。

圖2. 焊接狀態下接頭不同橫截面的光學顯微圖像

（a）具有硬度壓痕的接頭宏觀圖片

（b）-（d）圖2a中的放大視圖，分別在焊縫金屬的頂部，中間和根部分布

（e）與圖2a中的框“e”相對應的更高倍率的顯微照片

（f）UMZ附近的316L側的放大顯微照片

（g）原始316L-BM的光學顯微照片

圖3. 焊接狀態下的CLAM熱影響區的各部分微觀組織圖

（a）融合線附近的HAZ的SEM顯微照片

（b）靠近融合線的HAZ的IPF圖( EBSD掃描的步長為0.35μm)

圖4. 焊縫金屬組分分布及舍弗勒計算圖

（a）WM中的組分分布，對應于圖2a中的方框1至方框16

（b）用于預測不同焊縫中微觀結構的舍弗勒圖

圖5. 焊接狀態下的WM的微觀結構

（a）用BerahaⅡ試劑蝕刻的OM圖像

（b）代表主要存在于WM中的馬氏體板條的IPF圖

（c）在馬氏體板條之間顯示膜狀殘留奧氏體的TEM圖像

圖6. 第一步熱處理后CLAM / 316L異種焊接接頭的拉伸性能

（a）不同接頭橫向拉伸試驗的工程應力-應變曲線

（b）焊縫金屬縱向拉伸試驗的工程應力-應變曲線

圖7. 橫向拉伸試樣在不同條件下橫截面的光學宏觀圖

圖8. 焊接金屬平衡相圖及晶粒轉換示意圖

（a）使用Thermo-Calc熱處理計算軟件從500℃至1000℃計算的焊接金屬平衡相圖

（b）-（d）第一步熱處理在WM中回復奧氏體柱狀晶粒轉變的示意圖

圖9. 第兩步熱處理過程中RAFM / 316L不同焊縫的顯微組織演變示意圖

圖10. 第兩步熱處理試樣中的焊縫金屬的SEM圖像

（a）680-4HT

（b）圖a中的框“b”相對應的放大顯微照片

（c）680-600-4HT

（d）與圖c中的框“d”相對應的放大顯微照片

（e）680-550-4HT

（f）對應于圖b中的黃線的EDS元素分布

【小結】

本實驗結果表明，隨著PWHT溫度的升高，RAFM-HAZ的硬度降低，而WM的硬度在620℃下降到最低，然后在更高的PWHT溫度下升高。這與PWHT中WM的強度變化是一致的。顯微組織觀察和相應的相圖計算表明，與類似的鐵素體相比，兩種基本金屬的混合提高了WM的鎳含量，擴大了兩相區并降低了WM的鐵素體向奧氏體轉變的A₁點（鐵素體開始轉變為奧氏體）馬氏體鋼焊接接頭。焊縫金屬中的成分均勻，從而使焊縫金屬具有均勻的微觀結構和機械性能。焊接條件下，CLAM-HAZ和WM都由板條狀馬氏體組成。

兩步熱處理對HAZ和WM都有利。第一步熱處理將CLAM-HAZ的硬度降低到最佳值。第二步熱處理改變了WM的顯微組織，殘余奧氏體和鐵素體較多，而CLAM-HAZ不受影響。最后，獲得了在CLAM / 316L不同的焊接接頭中HAZ和WM的良好組合。

文獻鏈接：Microstructural evolution of dissimilar welded joints between reduced-activation ferritic-martensitic steel and 316L stainless steel during the post weld heat treatment （Mater. Sci. Eng.，A，2018，DOI：10.1016/j.msea.2018.03.035）

本文由材料人編輯部渡口編譯，材料牛整理編輯。

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