高氮钢搅拌摩擦焊接中微观组织演变与强韧化机制的协同调控研究

针对高氮钢(HNS)传统熔焊过程中氮元素流失和晶粒粗化的技术难题，研究人员采用搅拌摩擦焊(FSW)技术实现高质量固态连接，系统阐明了主轴转速(200-400 rpm)对焊缝区(NZ)晶粒尺寸、大角度晶界(HAGBs)比例和几何必须位错(GNDs)密度的影响机制，发现200 rpm时NZ抗拉强度较母材(BM)提升17.7%，为极端环境用高强韧焊接结构制备提供新思路。

　　

在船舶制造和核聚变装置领域，高氮钢(HNS)因其超高强度和卓越耐蚀性成为理想结构材料，但传统熔焊导致的氮元素流失和晶粒粗化严重制约其工程应用。尽管搅拌摩擦焊(FSW)能实现固态连接，但工艺参数与组织性能的构效关系尚不明确。为此，研究人员通过建立200-400 rpm主轴转速工艺窗口，系统揭示了高氮钢FSW接头强韧化机制。

研究采用W-Re合金搅拌工具对6 mm厚HNS板材进行焊接，结合EBSD(电子背散射衍射)和TEM(透射电镜)分析微观组织，通过拉伸试验和断口形貌表征力学性能。

表面和焊缝横截面形貌显示，200-400 rpm转速下焊缝成形良好，而600 rpm时出现沟槽缺陷。相组成差异分析表明，随着转速升高，δ-铁素体含量降低，峰值温度T_p升高促进奥氏体稳定化。微观结构演变部分发现，NZ晶粒尺寸从200 rpm的3.2 μm增至400 rpm的5.8 μm，HAGBs比例从78%降至65%，GNDs密度下降40%，这与动态回复(DRV)和连续动态再结晶(CDRX)过程相关。力学性能测试显示，200 rpm时NZ显微硬度达350 HV，拉伸强度较BM提高17.7%，断口呈现准解理与韧窝混合特征。

结论表明，200 rpm转速下晶粒细化和位错强化的协同作用使接头获得最佳强韧性组合，NZ氮含量与BM相当证实FSW能有效抑制氮流失。该研究为海洋工程和核聚变装置用高氮钢构件制造提供了工艺优化依据，发表在《Materials Today Communications》的成果对推动固态焊接技术在高合金材料中的应用具有重要指导价值。