阐明长期热暴露下L-PBF（激光粉末熔融）CoCrNi/316L扩散焊接接头界面退化的温度依赖性机制

《Materials Science and Engineering: A》：Elucidating the mechanism for aging-temperature-dependent interfacial degradation of L-PBF CoCrNi/316L diffusion bonded joints under long-term thermal exposure

L-PBF CoCrNi MEA/316L扩散焊接口在300-700℃热老化下的界面退化机制及性能演变研究，发现500℃ Cr扩散引发晶界偏析和细小富Cr贝氏体沉淀使强度降至351 MPa，700℃沉淀粗化导致界面断裂强度264 MPa，而300℃形成稳定FCC扩散层（11.2 μm）保留93%基材强度并具备2.8 dpa辐照抗力。

　　在现代工程领域，特别是在核能和航天等极端环境下，中熵合金（Medium Entropy Alloys, MEAs）因其出色的综合性能，如高强度、高延展性、良好的热稳定性和辐照抗性，受到了广泛关注。其中，等原子比的CoCrNi系统尤为突出，它在高温和辐照条件下展现出优异的性能，被认为是下一代结构材料的重要候选。然而，尽管MEAs在性能方面表现出色，它们与传统钢材的可靠连接仍然是一个关键挑战。特别是在核能相关应用中，MEAs与316L不锈钢的连接稳定性对于确保结构完整性至关重要。

激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）技术的快速发展使得MEAs的增材制造成为可能。L-PBF能够实现快速冷却和定向凝固，从而产生细小的晶粒、较高的位错密度以及可调控的微观结构。此外，L-PBF还可以在无需特殊模具的情况下，制造具有均匀化学成分的高强度组件，从而缩短开发周期，提高材料利用率。研究表明，经过后热处理的L-PBF制造的合金能够显著优化其性能，如提升强度-延展性协同效应，甚至达到超过400 MPa的超高屈服强度。L-PBF制造的CoCrNi MEA在保持其固有机械韧性的同时，展现出更高的微观结构均匀性和各向同性，这使得其在极端环境下具有更优的性能。

为了实现不同材料之间的可靠连接，扩散焊接（Diffusion Bonding）作为一种固态连接技术，能够形成连续的冶金界面，同时减少残余应力和避免熔化，为连接性能不匹配的金属材料提供了独特的优势。例如，使用CoCrFeNi高熵合金作为中间层，可以有效抑制金属间化合物的形成，并提升高温下的拉伸强度，从而制造出高强度的W/钢扩散焊接接头。氢化处理也被证明能够增强Zr-4/Ti/Zr-4接头的扩散和塑性性能，提高扩散系数并降低流动应力。近年来，火花等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）扩散焊接技术因其结合了电流传导、高温和压力的应用，成为促进原子扩散和调控界面微观结构的有效方法，逐渐受到关注。研究显示，SPS扩散焊接能够实现CoCrNi基MEAs与316L不锈钢的可靠连接，形成连续的面心立方（FCC）固溶层，从而显著提升接头的强度和延展性，优于传统激光焊接。

在核能和高温服务环境下，结构材料不仅要具备优异的机械性能，还需要具备良好的辐照耐受性。研究表明，CoCrNi MEA的辐照抗性优于镍基材料，这使其在核反应堆和聚变环境中具有良好的应用前景。然而，目前对于CoCrNi/316L接头在辐照条件下的性能表现仍缺乏系统研究，特别是其界面是否具备与基体合金相当的抗性仍不清楚。因此，明确这一问题对于评估CoCrNi/316L接头在核环境中的适用性至关重要。

在长期高温服务条件下，扩散焊接接头可能会经历界面微结构演变，包括元素再分布、第二相析出和再结晶等过程，这些变化可能会降低接头的稳定性以及机械性能。由于MEAs内部的原子扩散速度较慢以及多元素之间的复杂相互作用，预测界面扩散行为和析出现象变得尤为困难。因此，对不同温度和老化时间下的热诱导界面演变、扩散机制和析出行为进行全面评估，对于理解这些变化对接头性能的影响具有重要意义，同时为设计和评估MEAs与不锈钢之间的异质接头提供科学依据。

本研究通过SPS扩散焊接技术制造了L-PBF加工的CoCrNi MEA与316L不锈钢之间的异质接头，并在不同温度下进行了长达6000小时的热老化处理。通过微结构分析、元素映射和机械测试，研究了接头在不同老化温度下的界面演变、扩散行为和析出现象。研究结果表明，在300 °C老化条件下，接头保持了较高的拉伸强度（485 MPa，相当于316L不锈钢的93%）和良好的延展性（7.6%），这是因为Cr和Fe的扩散系数较低，且在接头中形成了稳定的单相FCC扩散层（11.2 μm）。此外，该接头还表现出优异的辐照抗性，能够承受高达2.8 dpa的辐照剂量。

相比之下，在500 °C老化条件下，Cr的扩散促进了晶界偏析，并在界面附近形成了细小的Cr富集体心立方（BCC）析出物，导致接头的拉伸强度降低至351 MPa。随着老化温度的进一步升高至700 °C，这些析出物逐渐粗化，接头的强度进一步下降至264 MPa，并伴随沿晶界发生的界面断裂。这一现象表明，高温下的析出行为显著影响了接头的稳定性，而较低温度下的析出现象则相对可控。

此外，研究还发现，在短期老化过程中，L-PBF加工的合金由于晶粒细化，能够促进更宽的扩散层和更高的硬度，这与传统熔炼方法（如弧熔法）制造的合金相比具有明显优势。这一结果进一步表明，不同制造方法对合金的微观结构和性能具有重要影响，而这些影响在高温服务条件下可能更加显著。

综上所述，本研究揭示了老化温度对MEAs与316L不锈钢扩散焊接接头界面退化机制的影响。研究结果表明，在300 °C老化条件下，接头能够保持较高的强度和良好的延展性，且具有优异的辐照抗性，而在更高温度下，析出物的形成和粗化会导致接头性能显著下降。这些发现为评估MEAs与不锈钢在核能相关环境中的连接可靠性提供了重要的科学依据，并为未来在高温和辐照条件下优化异质接头的设计和制造提供了指导。