δ-铁素体的演变以及长期时效处理后的9Cr2W钢沉积金属的力学性能（这些金属含有不同的碳含量）

《Materials Science and Engineering: A》：Evolution of δ-ferrite and mechanical properties of long-term aged 9Cr2W steel deposited metals with different carbon content

δ-铁素体在550℃长期热暴露中含量减少导致强度恢复，但其小尺寸和界面析出物增加裂纹萌生点，使04C样品韧性低于10C。揭示了碳含量调控δ-铁素体稳定性及析出物耦合作用的机理。

　　

孙启山|魏世通|卢善平

中国科学院金属研究所沈阳国家材料科学实验室，中华人民共和国沈阳市

摘要

制备了两种含碳量分别为0.04 wt.%（命名为04C）和0.10 wt.%（命名为10C）的9Cr2W钢沉积金属。研究了在550 °C老化过程中δ-铁素体的演变及其力学性能的变化。降低碳含量显著增加了δ-铁素体的数量和尺寸，减少了位错密度和M₂₃C₆的数量，从而导致强度下降。在老化过程中，δ-铁素体内替代原子的显著损失导致界面收缩和再结晶，进一步减少了δ-铁素体的数量和尺寸。δ-铁素体含量的减少减弱了其不利影响，使得经过10000小时老化后的强度高于PWHT状态。焊接丝中碳含量的降低虽然增加了δ-铁素体的尺寸，但仅提高了沉积金属在550 °C下的短期服役韧性。长期老化后，δ-铁素体尺寸的减小以及δ-铁素体与马氏体界面处沉淀物的增加使得δ-铁素体失去了优先开裂和消耗能量的能力，反而引入了更多的裂纹起始点，导致04C样品在老化10000小时后的韧性低于10C样品。

引言

全球能源需求的持续增长给传统能源系统带来了重大挑战。作为一种具有低碳特性和极高能量密度的清洁能源，核能为实现联合国可持续发展目标7（SDGs 7，可持续清洁能源）和SDGs 13（气候行动）提供了科学可行的途径，有效应对了全球能源需求和碳减排的双重挑战。近年来，许多国家大力发展钠冷快中子反应堆（SFRs），这是一种第四代核反应堆。它通过快中子产生核裂变，可以烧毁或转化有害放射性元素，显著提高铀资源的利用率，减少废物体积，并降低威胁程度[1]，[2]。SFRs使用液态钠作为冷却剂，反应堆核心的出口温度约为550 °C[3]。因此，有必要研究结构材料在550 °C长期服役过程中的微观结构和力学性能变化。

具有优异抗辐照脆化性能、高导热性和低热膨胀系数的9-12%Cr铁素体/马氏体（F/M）钢被认为是SFRs的首选结构材料之一[4]，[5]。F/M钢的初始微观结构由回火马氏体基体组成，其中含有大量的M₂₃C₆（M=Fe, Cr）和MX（M=V, Nb，X=C, N）沉淀物[6]，[7]，[8]。此外，在热老化和蠕变过程中还可能形成Laves（Fe₂(W, Mo)）相和Z相（Cr (V, Nb) N）[9]，[10]，[11]，[12]。F/M钢在高温长期服役过程中的力学性能主要取决于微观结构的稳定性，这种稳定性通过沉淀物在晶界和位错上的钉扎作用得以维持[13]，[14]。焊接在核反应堆制造中起着关键作用，沉积金属的微观结构和力学性能决定了结构部件是否能够可靠运行[15]。然而，沉积金属与基体金属的微观结构存在很大差异，大量研究表明F/M钢焊接沉积物中可能会形成δ-铁素体。先前的研究表明，过快的冷却速率会导致共析反应不完全、δ-铁素体向奥氏体的转变不完全以及铁素体稳定元素的偏析，从而导致沉积物中残留δ-铁素体的存在[16]，[17]。许多关于F/M钢焊接的研究证明，当Cr当量（Cr_eq）小于13.5且Cr当量与Ni当量（Ni_eq）之差小于8时，Schneider公式[15]，[18]，[19]可以预测沉积物中δ-铁素体的形成倾向：当Cr当量小于13.5且Cr当量与Ni当量之差小于8时，沉积物中形成δ-铁素体的可能性较低[20]。研究表明，δ-铁素体会降低F/M钢的强度和蠕变性能[21]，[22]，[23]，[24]。这归因于δ-铁素体相对于马氏体的相对柔软性，以及δ-铁素体与马氏体界面处形成的大量沉淀物，这两者都会导致拉伸变形过程中的过早失效。然而，δ-铁素体对韧性的影响存在争议，一些研究认为δ-铁素体对韧性有害[20]，[25]，[26]，而另一些研究则认为δ-铁素体对韧性有正面影响[27]，[28]。Park Min-Gu等人[29]发现，单一马氏体结构的F/M钢的夏比冲击性能优于马氏体和δ-铁素体混合结构的F/M钢。Anderko K. [30]发现，相对柔软的δ-铁素体减少了冲击过程中的应力集中程度。Wei Yan等人和G. Alkan等人[31]，[32]提出了一种选择性的优先开裂模式，即裂纹首先在δ-铁素体中扩展，然后进入马氏体，消耗大量能量。我们之前的研究发现，F/M钢沉积物的韧性与其内部δ-铁素体和碳化物的共同作用密切相关[17]。较大的δ-铁素体和柔软的δ-铁素体提高了韧性，而小尺寸的δ-铁素体及其边界处的碳化物则是韧性下降的根本原因。到目前为止，F/M钢在长期热暴露过程中的微观结构演变、沉淀物的粗化行为以及初始状态下δ-铁素体的消除是主要关注的问题[33]，[34]，[35]。然而，F/M钢沉积物力学性能变化的影响因素以及长期老化后δ-铁素体演变的影响因素尚未得到充分研究。同时，δ-铁素体和沉淀物都对F/M钢的韧性有显著影响，但热老化过程中F/M钢沉积物韧性的控制因素尚未得到全面理解。

如方程（1-2）所示，C是一种重要的奥氏体稳定元素，降低C含量会增加沉积物产生δ-铁素体的倾向。此外，降低C含量还会减少沉积物中碳化物形成的倾向，从而提高韧性。但是，关于通过调整C含量来研究沉淀物和δ-铁素体对F/M钢沉积物在长期高温服役后韧性耦合效应的研究仍然不足。在本研究中，设计并制备了两种不同C含量的沉积金属。经过焊接后热处理（PWHT）后，这些沉积金属在550 °C下进行了长达10000小时的热老化处理。研究了δ-铁素体的稳定性，并讨论了沉淀物和δ-铁素体在长期老化过程中的耦合效应。这对于理解F/M钢沉积物在高温服役过程中的性能变化具有重要意义。

部分摘录

沉积金属的制备

表1分别展示了命名为04C和10C的沉积金属的化学成分。图1(a)和(b)分别展示了焊接板的示意图和制备的沉积金属的主视图。在尺寸为350 mm × 100 mm × 20 mm的商用9Cr-1Mo钢板上制备了V形槽（45°）。表2展示了多层多道钨惰性气体（TIG）焊接的焊接参数。

沉积金属的微观结构表征

如图2所示，PWHT和老化后的沉积金属典型微观结构由回火马氏体和δ-铁素体组成，两种沉积金属中的δ-铁素体呈现不规则的块状和条状。正如Schneider公式所预测的，04C样品中的δ-铁素体数量和尺寸显著高于10C样品。在50倍放大倍数下，使用了10多个OM图像来量化04C和10C沉积金属在各种状态下的情况。

550°C热老化过程中δ-铁素体的演变模型

目前，关于F/M钢中δ-铁素体的研究主要集中在其对力学性能的影响机制以及如何减少δ-铁素体的含量上。很少有研究关注δ-铁素体在老化或蠕变过程中的演变。V. Lok等人[54]观察到，在590 °C下服役77000小时后，T91钢中δ-铁素体的尺寸和数量有所减小。F. ABE等人[13]发现δ-铁素体中形成了Laves相。

结论

在本研究中，两种不同C含量的沉积金属在550 °C下进行了长达10000小时的热老化处理，以研究δ-铁素体的稳定性以及影响长期老化过程中力学性能的控制因素。主要结论如下：

1.

δ-铁素体与马氏体界面处沉淀物粗化所需的元素主要来自δ-铁素体本身。这一过程会在δ-铁素体内产生额外的位错，

CRediT作者贡献声明

卢善平：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。魏世通：撰写 – 审稿与编辑，形式分析。孙启山：撰写 – 原稿撰写，验证，方法学研究，实验调查

利益冲突声明

我们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

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致谢

本工作得到了中国科学院战略性重点研究计划的支持，资助编号为XDA0410000。