北科Mater. Sci. Eng.,A: 低活化铁素体-马氏体钢与316L不锈钢焊后热处理过程中的异种焊接接头组织演变研究


【引言】

国际热核聚变实验反应堆(ITER)中,常用低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢作为实验包层模块(TBM)的主要候选结构材料,因为其优异的热物理性能和热机械性能属性。通过对常规Mod.9Cr-1Mo铁素体-马氏体钢进行改性设计,分别用W和Ta代替Mo和Nb,以促进聚变反应器辐照后诱导放射性快速衰减,从而设计出RAFM钢的化学成分。一些RAFM钢已被考虑为ITER制造TBM,包括Eurofer-97(欧洲)、F82H(日本)、CLAM(中国)、9Cr2WTa(ORNL美国)和INRAFM钢(印度),然而,用于制造其他部件的材料,如直接连接到TBM的真空容器和冷却管是316L(N)不锈钢。RAFM和316L钢之间的异种接头在聚变反应堆的制造中是不可或缺的。目前采用的焊接RAFM和316L奥氏体不锈钢方法有,钨极惰性气体(TIG)焊接、搅拌摩擦焊(FSW)、激光束焊接和电子束焊接(EBW)。根据最大限度地减少焊缝变形和体积的要求,特别是在焊接厚板时,高能束(HEB)技术如激光和电子束焊接,非常适合焊接RAFM和316L不锈钢。

【成果简介】

近日,北京滚球体育 大学杨善武(通讯作者)等人在期刊Mater. Sci. Eng.,A上发表了最新的研究,题目为“Microstructural evolution of dissimilar welded joints between reduced-activation ferritic-martensitic steel and 316L stainless steel during the post weld heat treatment”的文章。在研究中,通过使用电子束焊接(EBW)将低活化铁素体-马氏体(RAFM)钢与316L不锈钢结合,研究焊后热处理(PWHT)过程中热影响区(HAZ)和焊缝金属(WM)的微观组织演变和力学性能变化。研究结果表明,受较高温度热处理的样品的WM发生逆向奥氏体相变和随后的马氏体相变,而在HAZ中没有相变。同时这个效应也解释了对应于PWHT的WM的硬度和强度的变化,同时通过两步焊后热处理获得了不同焊缝中HAZ和WM的优化性能。

【图文导读】

1.电子束焊接过程及设计拉伸式样示意图

(a)EBW过程的示意图

(b)不同接头中的横向和纵向拉伸试样。

2.焊接状态下接头不同横截面的光学显微图像

(a)具有硬度压痕的接头宏观图片

(b)-(d)图2a中的放大视图,分别在焊缝金属的顶部,中间和根部分布

(e)与图2a中的框“e”相对应的更高倍率的显微照片

(f)UMZ附近的316L侧的放大显微照片

(g)原始316L-BM的光学显微照片

3.焊接状态下的CLAM热影响区的各部分微观组织图

(a)融合线附近的HAZ的SEM显微照片

(b)靠近融合线的HAZ的IPF图( EBSD扫描的步长为0.35μm)

4.焊缝金属组分分布及舍弗勒计算图

(a)WM中的组分分布,对应于图2a中的方框1至方框16

(b)用于预测不同焊缝中微观结构的舍弗勒图

5.焊接状态下的WM的微观结构

(a)用BerahaⅡ试剂蚀刻的OM图像

(b)代表主要存在于WM中的马氏体板条的IPF图

(c)在马氏体板条之间显示膜状残留奥氏体的TEM图像

6.第一步热处理后CLAM / 316L异种焊接接头的拉伸性能

(a)不同接头横向拉伸试验的工程应力-应变曲线

(b)焊缝金属纵向拉伸试验的工程应力-应变曲线

7.横向拉伸试样在不同条件下横截面的光学宏观图

8.焊接金属平衡相图及晶粒转换示意图

(a)使用Thermo-Calc热处理计算软件从500℃至1000℃计算的焊接金属平衡相图

(b)-(d)第一步热处理在WM中回复奥氏体柱状晶粒转变的示意图

9.第两步热处理过程中RAFM / 316L不同焊缝的显微组织演变示意图

10.第两步热处理试样中的焊缝金属的SEM图像

(a)680-4HT

(b)图a中的框“b”相对应的放大显微照片

(c)680-600-4HT

(d)与图c中的框“d”相对应的放大显微照片

(e)680-550-4HT

(f)对应于图b中的黄线的EDS元素分布

【小结】

本实验结果表明,随着PWHT温度的升高,RAFM-HAZ的硬度降低,而WM的硬度在620℃下降到最低,然后在更高的PWHT温度下升高。这与PWHT中WM的强度变化是一致的。显微组织观察和相应的相图计算表明,与类似的铁素体相比,两种基本金属的混合提高了WM的镍含量,扩大了两相区并降低了WM的铁素体向奥氏体转变的A1点(铁素体开始转变为奥氏体)马氏体钢焊接接头。焊缝金属中的成分均匀,从而使焊缝金属具有均匀的微观结构和机械性能。焊接条件下,CLAM-HAZ和WM都由板条状马氏体组成。

两步热处理对HAZ和WM都有利。第一步热处理将CLAM-HAZ的硬度降低到最佳值。第二步热处理改变了WM的显微组织,残余奥氏体和铁素体较多,而CLAM-HAZ不受影响。最后,获得了在CLAM / 316L不同的焊接接头中HAZ和WM的良好组合。

文献链接:Microstructural evolution of dissimilar welded joints between reduced-activation ferritic-martensitic steel and 316L stainless steel during the post weld heat treatment(Mater. Sci. Eng.,A,2018,DOI:10.1016/j.msea.2018.03.035)

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