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導(dǎo)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(xué)性能。結(jié)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(dá)到母材的90 %以上。變形亞結(jié)構(gòu)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?jǐn)?shù)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(yīng)力集中。

國際熱核能反應(yīng)堆（ITER）項目的建設(shè)旨在驗證磁約束聚變能的科學(xué)和技術(shù)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(yīng)堆，因此開發(fā)了幾種DEMO概念設(shè)計，例如歐洲示范聚變發(fā)電廠（EU-DEMO），日本示范聚變反應(yīng)堆（JA-DEMO），韓國聚變示范托卡馬克反應(yīng)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(yīng)堆，將需要具有更高強度和韌性的低溫結(jié)構(gòu)材料來承受施加在導(dǎo)管護(hù)套中的磁體外殼和電纜上的嚴(yán)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(jié)構(gòu)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(dǎo)材料（需要抵抗循環(huán)電磁力）提供結(jié)構(gòu)強化，并減少線圈在4.2 K下運行時的應(yīng)力和變形。

然而，預(yù)計將為DEMO反應(yīng)堆開發(fā)具有較高設(shè)計屈服應(yīng)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(jī)械性能，使其成為在低溫下用作結(jié)構(gòu)部件的潛在候選者，以承受磁體操作期間產(chǎn)生的洛倫茲力施加的高應(yīng)力。考慮到加工周期和成本，在磁鐵部件的高應(yīng)力區(qū)域?qū)⑦x擇具有較高強度和韌性的結(jié)構(gòu)材料。但是，在低應(yīng)力區(qū)域?qū)⑹褂?1LN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(jié)構(gòu)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福ㄦu極氣體保護(hù)焊，氣體保護(hù)金屬電弧焊，電子束焊接和激光束焊接。此外，固態(tài)技術(shù)也應(yīng)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(xué)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(chǎn)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(xiàn)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(xué)性能的影響，焊件中較大的柱狀晶粒導(dǎo)致焊接接頭的伸長率較低。

在聚變磁體結(jié)構(gòu)的運行過程中，低溫下接頭的力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用，使其能夠承受嚴(yán)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?jǐn)嗔研袨椤?strong>松山湖材料實驗室王偉、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫重點實驗室肖揚等研究團(tuán)隊對母材及其焊接件的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。盡管對母材及其焊接件的力學(xué)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(xué)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(xué)性能。兩種材料的有效焊接將提高高熵合金作為聚變反應(yīng)堆、氫能等應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料的潛力。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。

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(nèi)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(dá)到母材的約90%。焊接接頭的伸長率嚴(yán)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(cè)熔合線附近的圖圖像，（d）CrMnFeCoNi側(cè)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，（c）和（d）晶界和內(nèi)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(yīng)力-應(yīng)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(jié)果：（a）焊接接頭的硬度分布，（b）和（c）兩側(cè)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(jié)構(gòu)的TEM圖像：（a）變形子結(jié)構(gòu)的形成，（b）圖8（a）放大視圖中變形子結(jié)構(gòu)的細(xì)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(xué)性能。使用SEM，XRD，EBSD和TEM技術(shù)的組合檢查了微觀結(jié)構(gòu)演變。根據(jù)這些結(jié)果，可以得出以下結(jié)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(yīng)力集中，硬度值最低。斷裂表面表現(xiàn)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(dǎo)了變形過程，未觀察到馬氏體轉(zhuǎn)變。焊接接頭的抗拉強度較高是由于產(chǎn)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(yīng)用前景。