不同碳含量9Cr2W钢沉积金属中沉淀相在550℃热老化过程中的演化研究

本研究针对9Cr铁素体/马氏体(F/M)钢沉积金属在热老化过程中微观结构稳定性问题，通过对比两种碳含量(0.04 wt%与0.10 wt%)样品在550℃长期老化后的沉淀相演化规律，发现MX相最稳定，M23C6在500-1000小时达沉淀平衡，而Laves相即使10000小时仍未平衡。研究揭示了碳含量通过热力学与动力学机制影响沉淀相演变路径的机理，为先进核电结构材料设计提供重要理论依据。

　　

在核能装备领域，9Cr铁素体/马氏体(Ferritic/Martensitic, F/M)钢因其优异的高温强度和抗辐照性能，成为反应堆核心结构材料的关键候选。然而，这些材料在长期高温服役过程中，其内部微观结构的稳定性面临严峻挑战——特别是碳化物和金属间化合物等沉淀相的演化行为，直接决定着材料力学性能的退化速率。当前研究存在一个关键科学问题：如何通过成分设计调控沉淀相演变路径，从而提升材料在苛刻环境下的长期服役性能？这正是孙启善、魏世通和陆善平团队开展本项研究的出发点。

研究人员选取两种不同碳含量（0.04 wt% 编号04C，0.10 wt% 编号10C）的9Cr2W钢沉积金属作为研究对象，通过550℃下长达10000小时的系统热老化实验（设置500h、1000h、3000h和10000h四个时间节点），借助扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等先进表征手段，详细追踪了MX碳氮化物、M₂₃C₆型碳化物和Laves相(Fe₂W)三种关键沉淀相的演化规律。他们建立了沉淀相平均尺寸与老化时间的定量关系，并从热力学和动力学双角度深入阐释了碳含量对沉淀行为的影响机制。相关成果发表在材料表征领域权威期刊《Materials Characterization》上。

本研究主要采用以下关键技术方法：首先制备两种不同碳含量的9Cr2W钢沉积金属样本（04C和10C）；随后在550℃条件下进行系统热老化处理（500h至10000h）；利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行微观结构表征；通过图像分析技术定量统计沉淀相尺寸分布；结合热力学与动力学理论分析沉淀相演化机制。

沉淀相演化行为

通过系统表征发现：MX相在整个老化过程中表现出最高的稳定性，其尺寸增长最为缓慢。值得注意的是，低碳(04C)样品中MX相呈现更细小的弥散分布特征，但整体微观结构稳定性反而逊于高碳(10C)样品。M₂₃C₆碳化物在500-1000小时期间基本达到沉淀平衡状态，而Laves相即使经过10000小时老化仍未达到平衡状态，显示其极其缓慢的演化动力学。

碳含量对沉淀行为的影响机制

研究从热力学和动力学两个维度揭示了碳含量的调控作用：热力学上，降低碳含量会抑制M₂₃C₆碳化物的演化同时促进Laves相的形成；动力学上，04C样品中M₂₃C₆因形核位点较少而演化更快，10C样品中Laves相则通过独特的包裹生长机制加速演化。碳含量降低还导致M₂₃C₆粗化速率增加，但同时抑制了Laves相的粗化过程。

沉淀相对微观结构的稳定化作用

M₂₃C₆碳化物被证明是对亚晶界最具效力的钉扎相，而Laves相在10000小时老化后仍保持显著的钉扎能力。两种沉淀相的协同钉扎效应能有效抑制亚晶界的迁移和粗化，这是维持微观结构稳定的关键机制。10C样品中尺寸分布在100-200纳米范围的M₂₃C₆碳化物数量更多，这直接解释了其为何表现出更优的微观结构稳定性。

沉积金属与基体材料的差异

研究发现沉积金属因快速凝固过程产生的偏析效应，导致Laves相析出时间提前，M₂₃C₆达到沉淀平衡的速度也比传统基体材料更快，这揭示了增材制造材料与传统锻造材料在老化行为上的本质差异。

本研究系统阐明了碳含量对9Cr2W钢沉积金属中多类沉淀相演化行为的调控规律，首次从热力学-动力学耦合角度揭示了成分-工艺-组织-性能间的内在联系。研究发现不仅为先进核电结构材料的成分优化提供了重要理论指导，特别是通过合理调控碳含量来实现M₂₃C₆与Laves相的协同强化，还为增材制造特种钢材料的长期服役性能预测与寿命评估建立了关键科学依据。该工作对推动我国新一代核能装备自主化研发具有重要战略意义。