北科Mater. Sci. Eng.，A: 低活化铁素体-马氏体钢与316L不锈钢焊后热处理过程中的异种焊接接头组织演变研究

【引言】

国际热核聚变实验反应堆（ITER）中，常用低活化铁素体/马氏体（RAFM）钢作为实验包层模块（TBM）的主要候选结构材料，因为其优异的热物理性能和热机械性能属性。通过对常规Mod.9Cr-1Mo铁素体-马氏体钢进行改性设计，分别用W和Ta代替Mo和Nb，以促进聚变反应器辐照后诱导放射性快速衰减，从而设计出RAFM钢的化学成分。一些RAFM钢已被考虑为ITER制造TBM，包括Eurofer-97（欧洲）、F82H（日本）、CLAM（中国）、9Cr2WTa（ORNL美国）和INRAFM钢（印度），然而，用于制造其他部件的材料，如直接连接到TBM的真空容器和冷却管是316L（N）不锈钢。RAFM和316L钢之间的异种接头在聚变反应堆的制造中是不可或缺的。目前采用的焊接RAFM和316L奥氏体不锈钢方法有，钨极惰性气体（TIG）焊接、搅拌摩擦焊（FSW）、激光束焊接和电子束焊接（EBW）。根据最大限度地减少焊缝变形和体积的要求，特别是在焊接厚板时，高能束（HEB）技术如激光和电子束焊接，非常适合焊接RAFM和316L不锈钢。

【成果简介】

近日，北京科技大学杨善武(通讯作者)等人在期刊Mater. Sci. Eng.,A上发表了最新的研究，题目为“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，通过使用电子束焊接（EBW）将低活化铁素体-马氏体（RAFM）钢与316L不锈钢结合，研究焊后热处理（PWHT）过程中热影响区（HAZ）和焊缝金属（WM）的微观组织演变和力学性能变化。研究结果表明，受较高温度热处理的样品的WM发生逆向奥氏体相变和随后的马氏体相变，而在HAZ中没有相变。同时这个效应也解释了对应于PWHT的WM的硬度和强度的变化，同时通过两步焊后热处理获得了不同焊缝中HAZ和WM的优化性能。

【图文导读】

图1. 电子束焊接过程及设计拉伸式样示意图

（a）EBW过程的示意图

（b）不同接头中的横向和纵向拉伸试样。

图2. 焊接状态下接头不同横截面的光学显微图像

（a）具有硬度压痕的接头宏观图片

（b）-（d）图2a中的放大视图，分别在焊缝金属的顶部，中间和根部分布

（e）与图2a中的框“e”相对应的更高倍率的显微照片

（f）UMZ附近的316L侧的放大显微照片

（g）原始316L-BM的光学显微照片

图3. 焊接状态下的CLAM热影响区的各部分微观组织图

（a）融合线附近的HAZ的SEM显微照片

（b）靠近融合线的HAZ的IPF图( EBSD扫描的步长为0.35μm)

图4. 焊缝金属组分分布及舍弗勒计算图

（a）WM中的组分分布，对应于图2a中的方框1至方框16

（b）用于预测不同焊缝中微观结构的舍弗勒图

图5. 焊接状态下的WM的微观结构

（a）用BerahaⅡ试剂蚀刻的OM图像

（b）代表主要存在于WM中的马氏体板条的IPF图

（c）在马氏体板条之间显示膜状残留奥氏体的TEM图像

图6. 第一步热处理后CLAM / 316L异种焊接接头的拉伸性能

（a）不同接头横向拉伸试验的工程应力-应变曲线

（b）焊缝金属纵向拉伸试验的工程应力-应变曲线

图7. 横向拉伸试样在不同条件下横截面的光学宏观图

图8. 焊接金属平衡相图及晶粒转换示意图

（a）使用Thermo-Calc热处理计算软件从500℃至1000℃计算的焊接金属平衡相图

（b）-（d）第一步热处理在WM中回复奥氏体柱状晶粒转变的示意图

图9. 第两步热处理过程中RAFM / 316L不同焊缝的显微组织演变示意图

图10. 第两步热处理试样中的焊缝金属的SEM图像

（a）680-4HT

（b）图a中的框“b”相对应的放大显微照片

（c）680-600-4HT

（d）与图c中的框“d”相对应的放大显微照片

（e）680-550-4HT

（f）对应于图b中的黄线的EDS元素分布

【小结】

本实验结果表明，随着PWHT温度的升高，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温度下升高。这与PWHT中WM的强度变化是一致的。显微组织观察和相应的相图计算表明，与类似的铁素体相比，两种基本金属的混合提高了WM的镍含量，扩大了两相区并降低了WM的铁素体向奥氏体转变的A₁点（铁素体开始转变为奥氏体）马氏体钢焊接接头。焊缝金属中的成分均匀，从而使焊缝金属具有均匀的微观结构和机械性能。焊接条件下，CLAM-HAZ和WM都由板条状马氏体组成。

两步热处理对HAZ和WM都有利。第一步热处理将CLAM-HAZ的硬度降低到最佳值。第二步热处理改变了WM的显微组织，残余奥氏体和铁素体较多，而CLAM-HAZ不受影响。最后，获得了在CLAM / 316L不同的焊接接头中HAZ和WM的良好组合。

文献链接：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）

本文由材料人编辑部渡口编译，材料牛整理编辑。

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