导读：本文研究了CrMnFeCoNi合金与316LN不锈钢异种激光焊接接头的显微组织和力学性能。结果表明，采用激光束焊接获得了无缺陷的异种接头。焊接接头的室温和低温极限强度均能达到母材的90 %以上。变形亚结构主要由平面位错、层错以及层错解离成纳米孪晶组成。低温下纳米孪晶的体积分数不断增加。焊接接头硬度波动较大，最低硬度位于熔合线附近的熔合区。焊接接头的断裂位于与硬度最低区域一致的熔合区。这主要归因于该区域晶粒粗大和应力集中。

国际热核能反应堆（ITER）项目的建设旨在验证磁约束聚变能的科学和技术可行性，该能可以提供可持续的清洁能源。然而，ITER不是商业反应堆，因此开发了几种DEMO概念设计，例如欧洲示范聚变发电厂（EU-DEMO），日本示范聚变反应堆（JA-DEMO），韩国聚变示范托卡马克反应堆（K-DEMO）和中国聚变工程试验堆（CFETR）。.由于大型磁体系统的动态发展，例如目前的DEMO反应堆，将需要具有更高强度和韧性的低温结构材料来承受施加在导管护套中的磁体外壳和电缆上的严重电磁力，这些电磁力是由4.2 K的较大磁场引起的。例如，316LN奥氏体不锈钢及其改性被选为ITER项目中的结构材料，因为它们具有优异的性能，例如强度，韧性和延展性，可为线圈和超导材料（需要抵抗循环电磁力）提供结构强化，并减少线圈在4.2 K下运行时的应力和变形。

然而，预计将为DEMO反应堆开发具有较高设计屈服应力的材料，因此很难为磁体选择对8.4 K极端工作条件的耐受材料。高熵合金（HEA）具有卓越的机械性能，使其成为在低温下用作结构部件的潜在候选者，以承受磁体操作期间产生的洛伦兹力施加的高应力。考虑到加工周期和成本，在磁铁部件的高应力区域将选择具有较高强度和韧性的结构材料。但是，在低应力区域将使用11LN等普通材料。因此，有必要在制造过程中开发316LN和高熵合金之间的可靠焊接工艺。

多年来对高熵合金可焊性的累积工作，以了解微观结构演变和焊接工艺优化已有报道。一些报告侧重于高熵合金的熔焊，包括钨极气体保护焊，气体保护金属电弧焊，电子束焊接和激光束焊接。此外，固态技术也应用于高熵合金焊接。通常，高熵合金如CrMnFeCoNi合金在高能量密度焊接方法下具有良好的焊接性，并且没有观察到焊接接头力学性能的明显下降。如今，研究人员专注于不同的高熵合金焊接。Adomako等人生产了CrMnFeCoNi合金与双相不锈钢之间的健全接头，获得的焊接接头强度低于母材，焊件中未发现有害的金属间化合物或微偏析。Oliveira等人研究了CrMnFeCoNi合金与316不锈钢之间异种焊接接头的微观组织演变及其对力学性能的影响，焊件中较大的柱状晶粒导致焊接接头的伸长率较低。

在聚变磁体结构的运行过程中，低温下接头的力学性能起着至关重要的作用，使其能够承受严苛的运行要求，否则将暴露焊接接头在极低温度下的不充分断裂行为。松山湖材料实验室王伟、中国科学院理化技术研究所低温重点实验室肖扬等研究团队对母材及其焊接件的力学性能进行了研究。尽管对母材及其焊接件的力学特性已有研究，但对高熵合金异种焊接接头的微观组织演变及低温力学性能的研究仍较为缺乏。本文研究了CrMnFeCoNi合金与316LN低温异种激光焊接接头的微观组织和力学性能。两种材料的有效焊接将提高高熵合金作为聚变反应堆、氢能等应用的结构材料的潜力。相关研究成果以“Dissimilar laser welding of CrMnFeCoNi high entropy alloy and 316LN stainless steel for cryogenic application”为题，发表在《Journal of Materials Science & Technology》上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223004334

(1).通过激光焊接得到异种CrMnFeCoNi合金与316LN接头，熔合区的显微组织由单个FCC相组成，在晶界和内部晶粒处堆积高密度的无序位错，该区域没有明显的孪晶、堆积断层带，且在该区域可见BCC相。

(2).异种焊接接头的抗拉强度在室温下为510 MPa，在820 K时为77 MPa，在测试温度下可达到母材的约90%。焊接接头的伸长率严重下降，特别是在77 K时。焊接接头的硬度分布变化显著，最低硬度值位于靠近高熵合金的熔合区。

图1

焊接接头的SEM/EDS线和图图像：（a）宏观形貌，（b）线图像的元素分布，（c）316LN侧熔合线附近的图图像，（d）CrMnFeCoNi侧熔合线附近的图图像和（e）熔合区中心的图图像。

图2

焊接接头的EBSD图：（a）和（b）反极图（IPF）图，（c）晶界，（d）KAM图，（e）和（f）相图，（g）晶粒取向误差角。

图3

XRD数据显示了焊接接头中316LN、熔合区和高熵合金的图案。

图4

融合区中的TEM图像：（a）TEM-BF图像，（b）SAED图案，显示单相FCC结构，（c）和（d）晶界和内部晶粒附近的HRTEM图像（带有FFT图案插图）。

图5

焊接接头的拉伸性能：（a）室温和77K处的应力-应变曲线，（b）室温下断裂面的SEM图像，（c）77K处断裂表面的SEM图像，（d）颗粒的EDS分析。

图6

纳米压痕结果：（a）焊接接头的硬度分布，（b）和（c）两侧熔合线附近的典型载荷-位移曲线。

图7

断裂表面附近焊接接头的EBSD图像：（a）室温时的IPF图，（b）室温下的放大BC图像，（c）室温下的KAM图像，（d）室温时的相位图，（e）77 K时的IPF图，（f）77 K处的放大BC图像，（g）77 K处的KAM图像，（h）77 K处的相位图。

图8

室温下断裂区域附近变形子结构的TEM图像：（a）变形子结构的形成，（b）图8（a）放大视图中变形子结构的细节，（c）从变形带（带有FFT图案插图）获取的HRTEM图像，（d）图8（c）的反快速傅里叶变换（IFFT）。

综上所述，研究了CrMnFeCoNi合金与316LN不锈钢异种激光束焊接接头在室温和低温下的组织与力学性能。使用SEM，XRD，EBSD和TEM技术的组合检查了微观结构演变。根据这些结果，可以得出以下结论。在室温和77 K的熔合区均发生断裂，由于该区域的粗晶和应力集中，硬度值最低。断裂表面表现出延性断裂模式的典型致密凹陷和微孔隙。在塑性变形过程中，孪晶主导了变形过程，未观察到马氏体转变。焊接接头的抗拉强度较高是由于产生的变形孪晶，特别是在低温下。异种激光焊接接头的高强度有利于其在低温工程中的应用前景。