电子束偏移对Nb/304不锈钢焊接接头微观组织与力学性能的影响机制研究

为解决Nb与304不锈钢电子束焊接中脆性金属间化合物(IMCs)导致的接头性能劣化问题，研究人员系统研究了电子束偏移对ε(Fe2Nb)/α-Fe共晶组织演变规律的影响。发现向304不锈钢侧偏移0.6 mm可使反应层厚度减少48%，接头抗拉强度提升51%至156 MPa，揭示了IMCs层解理断裂的弱化机制，为SRF超导腔低温容器制造提供理论支撑。

　　

在粒子加速器和核物理研究领域，超导射频腔(SRF)是实现高能粒子加速的核心部件。这类腔体通常采用具有优异超导性能的铌(Nb)材料制造，但因其工作环境需维持在液氦温度，必须与耐低温的304不锈钢(SS)容器进行可靠连接。然而，Nb与Fe基合金焊接时会形成Fe₂Nb、Fe₇Nb₆等脆性金属间化合物(IMCs)，导致接头出现裂纹和强度骤降——这已成为制约SRF设备性能提升的"卡脖子"难题。传统解决方案如添加镍/铜中间层虽有效但工艺复杂，而电子束偏移(EBW)技术因其精准可控的能源输入特性，展现出更优的工程应用前景。

为攻克这一技术瓶颈，中国研究人员在《Materials Science and Engineering: A》发表最新成果。团队采用40mm×25mm×2mm的轧制态Nb和304SS板材，通过机械抛光和超声波清洗预处理后，在真空环境下实施不同偏移量(-0.2mm至+0.6mm)的电子束焊接实验。借助显微硬度计、万能试验机等设备，系统表征了焊接区(WZ)组织演变与力学性能的关联规律。

宏观形貌分析显示，-0.2mm偏移试样出现贯穿性横向裂纹，而正向偏移试样焊缝连续均匀。微观组织表征证实WZ存在ε(Fe₂Nb)+α-Fe共晶基体，当电子束向304SS侧偏移时，熔融Nb量减少使IMCs层厚度从12.5μm降至6.5μm。力学性能测试表明+0.6mm偏移接头获得最优性能：显微硬度降低22%至1147HV，抗拉强度达156MPa(为Nb基材的61%)，但所有试样均在IMCs层发生解理断裂。

这项研究首次阐明了电子束偏移调控Fe-Nb系IMCs形成的动力学机制：通过控制熔池中Nb/Fe比例，使组织从过共晶经共晶向亚共晶转变，最终将接头强度提升51%。该成果不仅为SRF腔体制造提供了工艺优化窗口(最佳偏移量+0.6mm)，更开创了通过能源输入空间调控来改善异种金属焊接性能的新思路。未来可进一步研究脉冲电子束、电磁搅拌等复合工艺对IMCs生长的抑制作用，推动超导加速器关键部件国产化进程。