16Cr-25Ni-4Mo超奥氏体不锈钢焊缝金属在550°C时效过程中的微观结构及力学性能演变

《Journal of Materiomics》：Microstructure and mechanical properties evolution of 16Cr-25Ni-4Mo superaustenitic stainless steel weld metal during 550°C aging

研究了16Cr-25Ni-4Mo焊接金属在550℃长期时效下的析出行为及其对塑性和韧性的影响。发现时效促进M23C6碳化物沿晶界和枝晶间析出，M2(C,N)碳氮化物仅在枝晶间生成。晶界处碳化物遵循LSW模型粗化，5000小时平均尺寸达402.1 nm，而枝晶间碳化物粗化较慢。力学性能随时效时间增加而劣化，裂纹在晶界和枝晶间同时萌生时塑性损失更快，冲击韧性从164 J降至141.5 J。

　　本研究聚焦于一种16Cr-25Ni-4Mo超级奥氏体不锈钢焊缝金属（WM）在550°C高温下的长期时效行为，旨在探讨析出相、变形孪晶、微带以及变形带等微观结构特征如何共同影响该材料的塑性和韧性。通过对材料在不同时效时间下的观察和分析，研究发现时效过程对WM的性能产生了显著影响，特别是在裂纹萌生与扩展方面，材料的力学行为呈现出复杂的变化趋势。

在550°C的长期时效过程中，析出相主要表现为M23C6碳化物和M2(C,N)碳氮化物。M23C6碳化物倾向于在晶界（GBs）和凝固枝晶区域（IDRs）中形成，而M2(C,N)碳氮化物则主要集中在IDRs中。研究发现，随着时效时间的增加，M23C6碳化物在晶界处经历了粗化过程，符合LSW模型的预测。在时效5000小时后，其平均尺寸达到402.1纳米。此外，在时效1000小时时，M23C6碳化物的密度达到峰值，为1.6微米?2。而在IDRs中，M23C6碳化物表现出多点成核但生长受限的特征，而M2(C,N)碳氮化物则呈现出较少成核且生长缓慢的趋势。时效5000小时时，M23C6碳化物的密度和平均尺寸分别为15微米?2和47.0纳米，而M2(C,N)碳氮化物的密度和平均尺寸分别为6.0微米?2和162.5纳米。

在时效过程中，材料的塑性和韧性均随着时效时间的增加而下降。然而，当裂纹同时在晶界和IDRs中萌生时，材料的性能下降更为迅速。在拉伸加载过程中，裂纹主要在晶界处萌生，并随着时效时间的增加而逐渐扩展。在时效3000小时时，由于IDRs中析出物的积累，裂纹开始在IDRs中形成，同时变形孪晶和微带的数量显著减少，导致材料的延展率从1000小时的33.0%迅速下降至3000小时的27.2%。相比之下，冲击裂纹主要起源于IDRs，并且随着时效时间的延长，其严重程度也有所增加。在时效5000小时时，由于晶界处M23C6碳化物的粗化和连续分布，以及冲击断裂表面附近变形孪晶的消失，冲击韧性从3000小时的164.0 J迅速下降至5000小时的141.5 J。

在核能领域，尤其是第四代核能系统中的钠冷快堆（SFR），对结构材料提出了更高的要求。SFR系统具有复杂的结构和严苛的运行条件，这些条件对材料的性能提出了多样化且严格的要求。例如，次级回路管道通常采用奥氏体不锈钢，如AISI 316 SS，这类材料具有良好的耐腐蚀性和高温强度。而蒸汽发生器则倾向于使用改进型铁素体/马氏体钢，如P91，这类材料表现出优异的蠕变性能和热疲劳性能。在蒸汽发生器与次级回路管道的连接过程中，不可避免地涉及奥氏体不锈钢与铁素体/马氏体钢之间的焊接。这种焊接过程对材料的性能产生了深远影响，尤其是在长期高温服役过程中，材料的微观结构和力学性能会发生显著变化。

奥氏体不锈钢与铁素体/马氏体钢在化学成分、微观结构、应力状态、物理性质和机械行为等方面存在显著差异。通常，奥氏体不锈钢填充材料被用于连接这两种金属，但这种方法存在一些严重的问题。一些研究表明，奥氏体不锈钢与铁素体/马氏体钢焊接接头的早期失效可能由多种因素引起。首先，在长期高温服役过程中，碳倾向于从高活性侧（铁素体/马氏体钢）向低活性侧（奥氏体不锈钢）扩散，导致铁素体/马氏体钢侧的碳含量降低，从而影响其强度。而奥氏体不锈钢侧的碳含量增加，使得局部硬度升高，增加了应力集中和裂纹的风险。其次，奥氏体焊缝金属与铁素体/马氏体钢之间较大的热膨胀系数差异，容易导致焊接接头界面处的裂纹形成。此外，在焊接过程中，奥氏体焊缝金属中的镍会被熔化的铁素体/马氏体钢稀释，导致奥氏体焊缝金属在熔合线附近形成硬而脆的马氏体层，从而增加裂纹敏感性。

为了提高这种焊接接头的使用寿命，一些研究将注意力集中在奥氏体不锈钢与铁素体/马氏体钢的异种焊接上。实验表明，使用镍基焊接填充材料可以显著提升异种焊接接头的性能。较高的镍含量能够降低碳的扩散速率，有效抑制铁素体/马氏体钢中的碳向奥氏体焊缝金属迁移。此外，镍基填充材料还可以降低焊缝金属的热膨胀系数，使其介于奥氏体不锈钢和铁素体/马氏体钢之间，从而实现更平滑的应力过渡。同时，镍基填充材料可以有效防止熔合线附近形成硬而脆的马氏体层。然而，一些研究也指出，镍基合金在高温下与液钠的兼容性较差，容易发生选择性溶解，导致材料性能的显著下降。因此，在SFR系统中，镍基焊接填充材料可能不是最佳选择。

超级奥氏体不锈钢（SASS）含有较高的镍、钼和铬含量，这些元素能够增强奥氏体的稳定性，并显著提升材料的耐腐蚀性和高温性能。SASS已被广泛应用于压力容器中。俄罗斯曾使用一种含有0.1 wt.% C、16 wt.% Cr、25 wt.% Ni和6 wt.% Mo的SASS作为压水堆中的衬层焊缝金属。这种方法有效解决了异种金属焊接过程中的一些问题。由于该材料的铬含量低于传统奥氏体填充材料如316 SS，因此可以减少铬碳化物的形成，从而降低其对材料性能的负面影响。同时，该材料的镍含量显著高于316 SS，能够有效抑制碳向焊缝金属的扩散。此外，由于该材料是铁基的，选择性镍溶解在液钠环境中形成的铁素体层可以作为结构屏障，限制进一步的镍损失。因此，这种16Cr-25Ni-6Mo SASS在液钠环境中表现出优于镍基合金的耐腐蚀性，成为异种金属焊接接头的有力候选材料。

然而，16Cr-25Ni-6Mo SASS中较高的碳化物形成元素（钼和碳）含量促进了碳化物的析出，这对其韧性与塑性产生了不利影响。目前，针对这种材料的焊缝金属的研究仍然有限，仅有少数研究对其原始焊接状态以及在690°C下进行8小时的焊后热处理（PWHT）后的性能进行了探讨。PWHT的目的是消除焊接残余应力以及焊接热循环导致的铁素体/马氏体钢热影响区的软化现象。这些研究表明，在原始焊接状态下，该材料中较高的钼和碳含量促进了在凝固枝晶区域中形成大量微米级的M6C（M=Mo）碳化物。这些碳化物表现出良好的热稳定性，并在PWHT后仍然保留。M6C碳化物的存在严重降低了焊缝金属的冲击韧性。此外，较高的碳含量在PWHT过程中促进了在晶界处形成M23C6（M=Cr, Mo）碳化物，这进一步降低了材料的塑性。为了改善焊缝金属的韧性与塑性，需要减少M6C和M23C6碳化物的数量，同时通过调节堆垛层错能（SFE）也是一种有效的策略。

一些研究表明，降低SASS中的钼和碳含量可以降低SFE，从而促进塑性变形过程中变形孪晶的形成。变形孪晶在塑性变形中对材料的韧性与塑性具有重要影响。因此，研究团队重新设计了焊接丝的合金成分，将钼含量从6 wt.%降低至4.2 wt.%，将碳含量从0.1 wt.%降低至0.04 wt.%。在原始焊接状态下，这种16Cr-25Ni-4Mo SASS焊缝金属在塑性变形后形成了变形孪晶。变形孪晶的形成对于提升材料的韧性与塑性至关重要。在SFR系统的运行过程中，异种金属焊接接头预计需要在550°C下运行数十年。在这样的长期高温环境下，材料可能会形成多种析出相，这些析出相可能影响位错滑移，并改变位错亚结构的发展，从而影响材料的力学性能。然而，目前对16Cr-25Ni-4Mo SASS焊缝金属在550°C下的长期时效行为及其对位错亚结构演变的影响尚未进行系统研究。因此，有必要对这种材料在服役相关条件下的析出行为及其对力学响应的作用进行深入探讨。

在本研究中，设计并制备了一种SASS焊缝金属，并在550°C下进行长达5000小时的时效处理。通过观察时效过程中析出相的演变及其与位错亚结构的相互作用，研究团队对材料在拉伸和冲击变形下的力学行为进行了分析和澄清。研究发现，析出相与位错亚结构之间的相互作用对材料的塑性和韧性产生了显著影响。通过对材料在不同时效时间下的分析，研究团队揭示了析出相如何影响焊缝金属的力学性能。这些研究成果为开发适用于SFR系统异种金属焊接接头的填充材料提供了重要的指导。

为了深入了解焊缝金属在长期时效过程中的微观结构演变，研究团队采用了光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）对材料进行观察。研究发现，焊缝金属在时效过程中形成了丰富的析出相，这些析出相主要分布在晶界和IDRs中。在时效前，焊缝金属中仅存在少量析出相，而随着时效时间的增加，析出相的数量和尺寸均有所变化。在晶界处，M23C6碳化物经历了粗化过程，而在IDRs中，M23C6碳化物表现出多点成核但生长受限的特征，而M2(C,N)碳氮化物则呈现出较少成核且生长缓慢的趋势。这些析出相的演变与材料的力学性能变化密切相关，尤其是在裂纹萌生与扩展方面。

在拉伸加载过程中，裂纹主要在晶界处萌生，并随着时效时间的增加而逐渐扩展。在时效3000小时时，由于IDRs中析出物的积累，裂纹开始在IDRs中形成，同时变形孪晶和微带的数量显著减少，导致材料的延展率迅速下降。相比之下，冲击裂纹主要起源于IDRs，并且随着时效时间的延长，其严重程度也有所增加。在时效5000小时时，由于晶界处M23C6碳化物的粗化和连续分布，以及冲击断裂表面附近变形孪晶的消失，冲击韧性迅速下降。这些现象表明，析出相和变形结构的演变对材料的性能产生了复杂的影响，需要进一步研究其作用机制。

研究团队还对焊缝金属的化学成分进行了详细分析，发现其含有较高的镍、钼和铬含量，这些元素对材料的稳定性和性能具有重要影响。在焊接过程中，由于化学成分的不均匀分布，析出相的形成和分布受到显著影响。特别是在晶界和IDRs中，析出相的形成与材料的微观结构演变密切相关。通过调节材料的化学成分，可以有效控制析出相的形成和分布，从而改善材料的力学性能。研究团队通过降低钼和碳含量，成功减少了析出相的数量，同时提高了材料的塑性和韧性。

此外，研究团队还对焊缝金属的微观结构进行了系统分析，发现其在时效过程中经历了复杂的演变过程。这些演变过程不仅影响了析出相的形成和分布，还对位错亚结构的发展产生了重要影响。通过观察和分析这些微观结构的变化，研究团队揭示了析出相与位错亚结构之间的相互作用机制。这些相互作用对材料的塑性和韧性具有显著影响，尤其是在裂纹萌生与扩展过程中。

综上所述，本研究通过系统的实验和分析，揭示了16Cr-25Ni-4Mo SASS焊缝金属在550°C下的长期时效行为及其对材料性能的影响。研究结果表明，析出相和变形结构的演变对材料的塑性和韧性具有重要影响，特别是在裂纹萌生与扩展过程中。这些发现为开发适用于SFR系统异种金属焊接接头的填充材料提供了重要的理论依据和实践指导。通过优化材料的化学成分和微观结构，可以有效提升其在长期高温服役下的性能，从而满足SFR系统的运行需求。