用于核应用的异种自熔电子束焊接：316L 与 10CrMo9-10 的连接

《European Journal of Mechanics - A/Solids》：Dissimilar autogenous electron beam welding for nuclear applications:316L joined to 10CrMo9-10

　　

摘要

本研究探讨了AISI 316L奥氏体不锈钢与10CrMo9-10铁素体钢之间自熔电子束焊（EBW）的微观力学特性和行为。通常，在热能发电厂中广泛使用的这两类异种材料接头，会使用镍基合金填充材料来减轻奥氏体钢与铁素体钢之间因热膨胀系数不匹配所产生的不利影响。然而，传统焊接技术存在诸多缺点，包括熔合区与热影响区面积大、缺陷不可预测以及人为因素对焊缝质量的影响。采用电子束焊接等先进焊接方法可以缓解部分这些问题。本文旨在回答的核心问题是评估采用自熔电子束焊工艺生产的异种焊缝的完整性风险。为此，对316L至10CrMo9-10焊缝进行了微观组织分析，结果显示焊缝界面清晰，元素扩散极少，焊缝区域与母材之间呈现出明显的晶粒形貌差异。同时，采用中子衍射技术测量了焊缝区域的残余应力，该应力受两种基体材料性能差异的影响。此外，通过拉伸试验和蠕变-疲劳试验（结合数字图像相关技术测量局部应变）进行了力学测试，定量分析了焊缝及母材的热力学行为。拉伸试验揭示了与熔合区微观组织差异及热力学稳定性相关的应变梯度分布。断裂明显发生在熔合区和热影响区之外，位于10CrMo9-10母材内部。在550°C下进行的蠕变-疲劳试验表明，该接头在高温下具有可接受的焊接性能，在根据传统设计代码限值预测的失效循环次数内未观察到失效。上述发现表明，在实验室条件下，电子束焊作为一种可靠的连接技术，可用于未来的核工业或高温工业应用。

引言

下一代低碳热能发电厂（例如聚变和裂变发电装置）面临极具挑战性的运行条件，施加了巨大的热力载荷。因此，异种金属焊缝（DMW）等部件面临着极为苛刻的机械完整性要求。

用于连接铁素体材料和奥氏体材料的焊接技术多种多样，包括常规电弧焊、搅拌摩擦焊或激光束焊。在这些技术中，电子束焊作为一种高精度技术脱颖而出，它利用聚焦的高速电子束在真空环境中产生热量并熔合材料，无需填充材料。真空环境确保了电子束的聚焦，同时将大气气体污染降至最低，与激光焊接相比，可焊接更厚的截面，从而获得高质量、杂质极少的焊缝。它可产生高强度、深熔透焊缝，这对下一代发电厂部件所需的复杂几何形状和紧密公差至关重要。尽管电子束焊具有诸多优点，但仍面临初始投资成本高以及在连接异种材料时可能出现的冶金问题等挑战。这些问题，包括焊缝跨度的热膨胀性能急剧变化、相变以及脆性金属间化合物相的形成潜力，必须得到充分理解和管控，以确保焊缝的长期完整性，尤其是在核工业等安全关键行业中。

发电厂中的多个关键部件使用AISI 316L奥氏体钢以避免腐蚀问题，而10CrMo9-10铁素体/马氏体钢通常用于在高温或存在辐照损伤条件下需要提升性能的情况。异种金属焊缝面临设计、力学和微观力学方面的挑战，如焊缝强度不匹配、碳迁移和热膨胀系数的差异，这些因素都会对焊缝区域的力学性能、损伤演化和韧性产生重大影响。相关力学问题已得到广泛研究。常规铁素体至奥氏体钢异种焊缝的常见问题包括焊接过程中出现的熔合缺陷、热裂纹和脆性谷裂纹，以及服役过程中出现的应力腐蚀开裂和蠕变-疲劳开裂。为减轻这些问题，通常会采用奥氏体或镍基填充金属。尽管镍基填充材料可以缓解热膨胀系数不匹配产生的应力，但也会带来新的挑战，如对辐照诱导相变的敏感性以及潜在的长期结构不稳定性。选择通过自熔焊直接将316L奥氏体钢与10CrMo9-10铁素体/马氏体钢连接，无需填充材料，有助于减少成分不均匀性、降低焊接界面的辐照诱导肿胀以及限制核聚变反应堆极端条件下嬗变和相变导致的脆化。因此，放弃填充材料的选择是一种有意为之的折中方案，旨在最大限度地提高接头在严苛热力及辐照条件下的长期性能。

近期的研究主要集中在同质10CrMo9-10接头的电子束焊以及316L接头的电子束焊上，此外还涉及异种电子束焊组合，如P91/P22和P91/Incoloy 800HT，以及异种合金的自熔焊。然而，将自熔电子束焊应用于10CrMo9-10和316L异种金属焊缝的研究仍然非常有限。此外，本研究的创新之处不仅在于所选择材料组合的自熔焊，还在于其综合实验方法，将中子衍射残余应力测量、高温数字图像相关技术、高温拉伸试验、蠕变-疲劳评估以及详细的微观组织表征相结合。这种从微观组织特征到宏观热力行为的多尺度综合表征，为理解控制自熔电子束焊异种接头结构完整性的结构-性能关系提供了更深入的关联和洞察，为核应用提供了潜力。此外，所生成的实验数据集对于工程方法的应用也是必要的，包括数值模型的标定和验证、结构完整性评估以及旨在优化和寿命评估核部件的性能预测方法。

分节摘要

材料与方法

本研究使用商业级10CrMo9-10和AISI 316L钢板（化学成分详见表1），各加工为250mm×125mm×25mm的尺寸。10CrMo9-10钢板在940°C下进行了1分钟/毫米厚度的正火处理，随后在静止空气中冷却。随后在740°C下进行回火处理，保温时间为2分钟/毫米，最短不少于30分钟，同样在静止空气中冷却

结果与讨论

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  微观组织分析

图6展示了通过二次电子（SE）成像获得的整体微观组织SEM图像，可揭示表面形貌和形态细节；以及背散射电子（BSE）成像，其对原子序数对比敏感，可反映母材的成分对比：铁素体10CrMo9-10和奥氏体316L，此外还包括奥氏体熔合边界和熔合区FZ

结论与讨论

本研究评估了自熔电子束焊在异种金属连接方面的可行性，特别是316L不锈钢与10CrMo9-10铁素体钢的连接，用于高温应用。尽管实验计划中包含的试样数量有限，反映了所采用先进表征技术的复杂性和成本，但不同实验方法间观察到的一致性支持了所报告趋势的可靠性。关键的

CRediT作者贡献声明

Younes Belrhiti：撰写—原始文稿、可视化、方法论、正式分析、数据整理。David VanderMeer：方法论、正式分析。Thomas Dutilleul：资源、方法论、数据整理。Nicolo Grilli：撰写—审阅与编辑、监督、软件、资源、方法论、资金获取、概念化。Thilo Pirling：资源、方法论、正式分析。Cory Hamelin：监督、资源、资金获取。David Knowles：撰写—审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告工作的客观性。

致谢

如需获取本文所基于的数据和模型的更多信息，请联系 [e-mail]*。

作者感谢布里斯托大学高温实验室和物理学院界面分析中心实验室提供的宝贵帮助。

Younes Belrhiti | David VanderMeer | Thomas Dutilleul | Nicolo Grilli | Thilo Pirling | Cory Hamelin | David Knowles | Mahmoud Mostafavi