建立颗粒生长动力学模型，并解析混合摩擦搅拌焊接过程中微观结构与腐蚀之间的相互作用

《Materials Chemistry and Physics》：Modeling grain growth kinetics and decoding microstructure-corrosion interplay in hybrid friction stir welding

异种Inconel 718-SS321接头通过感应辅助摩擦搅拌焊（IAFSW）优化工艺参数（450/70 rpm和mm/min）实现晶粒细化（12.25 vs 13.25 μm），促进Σ3^n晶界再生和γ''相沉淀，显著提升硬度（约20%）、耐Cl?腐蚀（极化电阻提高30%）及耐点蚀性能。基于MCP模型与Laasraoui–Jonas定律，成功模拟动态再结晶和晶粒生长过程，验证参数对微观组织及腐蚀行为的关键调控作用。

　　

Rituraj Bhattacharjee | Prabhat Chand Yadav | Jiwajyoti Mahanta | Tejas Arandhara | Sagar Shankar Kamble | Ankan Pramanik | Tanmoy Medhi | Pankaj Biswas

印度古瓦哈提理工学院机械工程系

摘要

镍基超级合金与不锈钢的冶金兼容连接对于核能、化工和航空航天系统至关重要，但接头界面处的微观结构差异仍然是影响耐腐蚀性的关键挑战。本研究探讨了感应辅助摩擦搅拌焊接（IAFSWed）Inconel 718和SS321接头中的加工-微观结构-腐蚀关系。经过多次试验，选择了两组参数：300 rpm、40 mm/min（300/40，最低抗拉强度）和450 rpm、70 mm/min（450/70，最高抗拉强度），并通过取向成像、高分辨率电子显微镜、显微硬度测试以及在1 M HCl和3.5 wt.% NaCl溶液中的电化学测试进行了研究。采用二维蒙特卡洛Potts（MCP）模型结合Laasraoui–Jonas（LJ）定律模拟了动态再结晶和晶粒生长过程。450/70参数条件下，形成了更细的等轴再结晶晶粒，较高的Σ3ⁿ值，以及更密集的γ″、M₂₃C₆和Cr–Ni沉淀物，从而提高了硬度和钝化膜稳定性。MCP预测的晶粒尺寸（12.25 μm vs 13.25 μm）与实验结果（450/70条件下的14.95 μm vs 300/40条件下的16.62 μm）非常吻合。电化学分析表明，450/70条件下的焊接接头具有更高的电位、更低的电流密度和更高的极化电阻，尤其是在NaCl溶液中，这表明其具有更好的钝化膜形成能力、抗点蚀和抗晶间腐蚀性能。因此，通过控制IAFSW参数可以优化微观结构和界面网络，从而改善不同材质接头之间的耐腐蚀性能。

引言

为了提高成本效益和耐腐蚀性，不同金属接头在石油和海洋工业中的应用日益增多。Inconel 718（IN718）是一种镍基超级合金，因其具有高温强度和耐腐蚀性而受到重视，这种耐腐蚀性得益于γ'（Ni₃(Al,Ti)）和γ''（Ni₃Nb）相的双重沉淀强化作用[1]，广泛应用于航空航天、核能和能源领域，工作温度可达约720°C[2]。不锈钢321（SS321）是一种钛稳定的奥氏体钢，通过Ti碳化物抑制铬（Cr）碳化物的析出，从而提供良好的延展性和抗氧化性[3]，其奥氏体基体为面心立方（FCC）结构，含有丰富的Ti碳化物（约7–20 nm）[4]。传统的镍合金与不锈钢熔焊和压力焊接方法[5]常常会产生有害的次生相，降低材料的机械性能和耐腐蚀性[6]。

固态焊接技术，尤其是摩擦搅拌焊接（FSW），为这类接头提供了可行的解决方案。FSW最初是为铝合金开发的，后来利用WC–Co、Si₃N₄和PCBN等昂贵工具扩展到了高强度合金的应用[7]、[8]。目前该技术已应用于不锈钢、镍合金和钛基合金系统[9]，尽管不同材质间的FSW应用仍较为有限[10]。研究表明，FSW能够实现无缺陷的接头[6]、[11]、[12]以及Incoloy与不锈钢的组合[13]、[14]，并且通过动态再结晶（DRX）改善了微观结构，但耐腐蚀性仍是一个问题。由于Laves相和HCl–O₂环境的影响，镍基焊接接头容易发生点蚀[15]。感应辅助摩擦搅拌焊接（IAFSW）在恶劣环境和燃气轮机应用中表现出更好的耐腐蚀性和晶粒细化效果[16]。尽管对单一材料已有大量研究，但对不同材质镍基合金与不锈钢接头之间的腐蚀行为研究仍较少。Raj等人[17]成功实现了Inconel 718与SS316L的连接，并比较了预热处理对微观结构和力学性能的影响。他们发现预热可以减少轴向力，并在相同焊接参数下提高焊接质量和工具寿命。双相不锈钢和不含镍的不锈钢在不同参数下的耐腐蚀性存在差异[18]、[19]。要理解FSW中的动态再结晶机制，需要研究微观结构的演变过程，但现有技术限制了直接实验观察的可能性。因此，数值模拟成为研究这一过程的有效方法。

蒙特卡洛Potts（MCP）模型能够有效模拟动态再结晶（DRX）过程中的晶核形成、晶粒生长和合并[20]。Zhang等人[21]将MCP模型应用于FSW，展示了等轴再结晶晶粒的形成，并将其扩展到了增材摩擦搅拌制造（AFSM）[22]。有限元模拟进一步支持了基于MCP的DRX建模，以获取不同FSW参数下的塑性变形数据[41]。虽然二维下的晶粒生长动力学已得到充分研究，但MCP（Potts）和相场（Phase-Field）模型将其扩展到了三维[23]、[24]，这些模型有助于理解晶界网络。其中，MCP模型因其简单性和低计算成本而得到广泛应用[25]。

尽管IAFSW在轻质合金中的应用已得到广泛研究，但其在不同镍基超级合金与不锈钢系统中的应用仍较少，尽管这些接头在腐蚀性环境中具有关键作用。现有研究主要关注这些接头的力学性能和微观结构特征[26]、[27]，但对微观结构特征与腐蚀行为之间的内在关系关注不足。基于MCP的DRX模型通常基于简化假设，缺乏实时过程关联，无法准确捕捉晶核形成机制。为了填补这些空白，本研究结合了实验和计算方法：在IAFSW条件下制备了不同的Inconel 718–SS321接头，并评估了其在1 M HCl和3.5 wt.% NaCl溶液中的电化学响应。建立了晶粒细化、孪晶界、沉淀物演变与耐腐蚀性能之间的定量关系。进一步开发了结合热力学参数（温度、应变和应变率）的MCP模型来模拟DRX和晶粒生长，并通过显微镜结果进行了验证。最后，比较了两组参数（300/40和450/70），以评估预热和焊接条件对微观结构、强度、硬度和钝化膜稳定性的影响。

制备焊接工艺

本研究使用辅助感应预热系统，在25 HP立式铣床上连接了退火的Inconel 718和SS321板材（尺寸为150 × 75 × 3 mm）。两种基材的化学成分已在先前的研究中报道[12]、[28]。使用的感应加热装置（型号：KX-5188，中国浙江）工作频率为100–120 kHz，功率输出为12 kW（最大功率：20 kW）（图1(a)）。加热线圈呈饼状，放置在板材上方5 mm处，距离工具轴后方20 mm处。

利用取向成像显微镜（OIM）和EBSD技术的微观结构演变分析

晶界作为单个晶粒之间的界面，在决定材料的机械和功能性能方面起着关键作用。通过控制晶粒尺寸、取向和晶界特性，可以调节材料的强度、延展性、耐腐蚀性甚至电学或热学性能。严重塑性变形、热机械处理和合金化策略等手段能够精确调控晶界结构。

结论

本研究明确了加工参数、微观结构和腐蚀行为之间的联系。实验和模拟结果证实，优化的450/70参数条件能够实现细化的晶粒、稳定的沉淀物以及强化的钝化膜，从而提高材料的强度和耐腐蚀性，具体表现为：

(i)

优化的450/70条件促进了广泛的动态再结晶（DRX），形成了超细的等轴晶粒，其中低 CSL ?3ⁿ晶界的比例较高，破坏了原有的随机晶界排列

CRediT作者贡献声明

Tejas Arandhara： 数据整理。

Ankan Pramanik： 文稿撰写 – 初稿撰写、实验研究、数据整理。

Sagar Shankar Kamble： 形式分析。 Pankaj Biswas： 文稿撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构思。 Tanmoy Medhi： 文稿撰写 – 审稿与编辑。 Rituraj Bhattacharjee： 文稿撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、结果验证、软件应用、资源管理、方法设计、实验研究、形式分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢印度古瓦哈提理工学院及其TIH-A部门8公司提供的实验设施。Prabhat Chand Yadav还感谢IIT Mandi的Sandeep Sahu博士在三次晶界计算方面的帮助。