松山湖材料实验室JMST：焊接新工艺促进高熵合金应用

【全文速览】

本文研究了CrMnFeCoNi合金与316LN不锈钢异种激光焊接接头的显微组织和力学性能。系统分析了不同变形温度下焊缝中的显微组织演变对力学性能的影响规律及其微观机理。焊接接头的室温和低温抗拉强度均能达到母材强度的90 %以上，为未来高熵合金作为低温结构材料应用于核聚变超导磁体、氢能源以及航空航天领域提供了基础数据和理论支撑。

【背景介绍】

目前，316LN奥氏体不锈钢由于具有优异的综合力学性能被选为国际热核聚变实验堆（ITER）项目中的结构材料。然而，随着核聚变超导磁体磁体系统的不断升级，将需要具有更高强度和韧性的低温结构材料来抵抗施加在铠甲及其超导材料上的强大电磁力。高熵合金（HEA）具有卓越的机械性能（高强高韧），使其成为在低温下使用的潜在候选结构材料，以承受超导磁体服役期间产生的洛伦兹力施加的高应力。另一方面，考虑到加工周期和成本，在大型超导磁体结构设计过程中，高应力区域部件将选择具有较高强度和韧性的结构材料，低应力区域将使用316LN等奥氏体不锈钢材料。因此，有必要在部件的制造过程中开展316LN和高熵合金之间的可靠焊接工艺研究。本工作旨在研究316LN/高熵合金异种焊接接头的微观组织演变及低温力学性能，推动高熵合金材料在大科学装置及氢能源等领域的工程化应用。

【研究出发点】

松山湖材料实验室王维研究员与中科院理化所李来风研究员团队（杨潇副研究员）以及南昌航空大学王善林教授等单位科研人员合作，通过研究CrMnFeCoNi合金与316LN异种激光焊接接头在塑性变形过程中的组织演变发现，室温条件下焊缝的变形组织主要由位错、层错和变形孪晶组成，孪生和位错滑移相互竞争、相互促进，共同实现材料的塑性变形。当变形温度降低至77K时，变形孪晶的体积分数逐渐增大，位错滑移显著受到抑制，变形孪晶的形成主导了塑性变形过程。此外，低温条件下并未发现马氏体转变。获得的优异焊接接头力学性能，将提高高熵合金作为聚变反应堆、氢能源以及航天航天等领域结构材料应用的潜力。相关研究成果以“Dissimilar laser welding of CrMnFeCoNi high entropy alloy and 316LN stainless steel for cryogenic application”为题，发表在《Journal of Materials Science & Technology》上。

【图文解析】

图1 焊接接头的SEM图：（a）焊接接头宏观形貌，（b）EDS线扫描的元素分布图，（c）316LN侧熔合线附近的EDS图，（d）CrMnFeCoNi侧熔合线附近的EDS图，（e）熔合区中心的ESD图。

图2 焊接接头的EBSD图：（a）和（b）反极图（IPF），（c）晶界分布图，（d）KAM图，（e）和（f）相图，（g）晶界取向差图。

图3焊接接头中316LN、焊缝区和高熵合金不同区域的XRD图。

图4 焊缝区域的TEM图：（a）TEM-BF图，（b）SAED图，显示单相FCC结构，（c）和（d）晶界和晶粒内部的HRTEM图（带FFT图）。

图5 焊接接头的拉伸性能：（a）室温和77K的应力-应变曲线，（b）室温下断口SEM图，（c）77K断口SEM图，（d）颗粒的EDS分析。

图6 纳米压痕测试：（a）焊接接头的硬度分布图，（b）和（c）两侧熔合线附近的典型载荷-位移曲线。

图7 焊接接头断口附近的EBSD图：（a）室温IPF图，（b）室温放大BC图，（c）室温KAM图，（d）室温相图，（e）77 K IPF图，（f）77 K放大BC图，（g）77 K KAM图，（h）77 K相图。

图8 室温下断口附近变形组织的TEM图：（a）变形亚结构，（b）图8（a）放大图显示变形亚结构，（c）变形带的HRTEM图（带FFT插图），（d）图8（c）的反傅里叶变换图（IFFT）。

图9 77K下断口附近变形组织的TEM图：（a）变形亚结构，（b）图9（a）放大图显示变形亚结构（带FFT插图），（c）和（d）图8（b）的反傅里叶变换图（IFFT）。

图10 断口附近TEM样品的TKD图：（a）室温BC图，（b）室温IPF图，（c）室温相图，（d）77K BC图，（e）77K IPF图，（f）77K相图.

【总结与展望】

本文系统研究了CrMnFeCoNi高熵合金与316LN奥氏体不锈钢异种激光焊接接头在室温和低温下的显微组织与力学性能。利用SEM，XRD，EBSD和TEM等技术分析了塑性变形过程中的微观结构演变对力学性能的影响。结果表明，焊接接头的室温和低温抗拉强度均能达到母材强度的90 %以上。在77K低温塑性变形过程中，孪晶主导了变形过程，并未发现马氏体转变。未来实现高熵合金性能的更大提升，以及优化焊接工艺参数，获得优质的焊接接头并对异种接头4.2K条件下的显微组织演变规律和力学性能的相关性开展深入研究，这将有利于推动高熵合金在低温工程中的实际应用。

论文地址：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.

【作者介绍】

王维，松山湖材料实验室实用超导研究团队研究员，博士生导师，广东省重大人才工程青年拔尖人才，中国船舶军民融合发展研究中心智库专家，广东省高层次人才评审专家，东莞市特色人才，材料人网2023年度优秀青年科学家。长期致力于实用超导相关低温材料与系统研发。主持了科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金面上、粤莞联合基金重点项目、广东省JMRH专项资金等国家、省部级横纵向项目20余项。Microstructures，金属学报期刊青年编委，在Adv. Mater.，J. Mater. Sci. Technol., Scripta Mater. 和Mater. Des.等学术期刊上发表论文56篇，受理/授权专利14项。

杨潇，中科院理化所副研究员。近年来，主持纵向国家、地方纵向科研项目/课题和科学院科研项目7项，横向技术开发项目4项。获省部级学术奖励2次。参编并出版高熵合金材料方向科研专著1部。主要从事高熵材料的设计、研发及产业化应用研究，已在Journal of Materials Science & Technology，Materials Science and Engineering: A，Materials & Design，Journal of Alloys and Compounds等国内外学术期刊上发表学术论文40余篇，总引用次数超3000次。

信纪军，松山湖材料实验室副研究员，在中科院等离子体物理研究所工作期间，主要从事聚变堆超导磁体设计及制造相关方面的工程应用基础研究，参与ITER PF6极向场线圈采购包、ITER CC校正场线圈采购包以及中国聚变工程试验堆（CFETR）的测试平台相关部件的关键制造工艺及技术研发。2020年7月加入松山湖材料实验室实用超导薄膜研究团队，主要开展低温结构材料、低温测试技术以及超导磁体技术研发等工作。目前发表学术论文 50余篇，申请发明专利 20余项。

课题组长期招聘金属材料，高熵合金等方向的博士后，欢迎加盟团队开展合作。

课题组网站链接：

http://scmaterials.sslab.org.cn/