CoCrNi基填充金属对高锰钢焊接接头室温和低温力学性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effects of CoCrNi-based fillers on the mechanical properties of high-manganese steel welded joints at room and cryogenic temperatures

　　

摘要：由于FeCoCrNiMn高熵合金（High-Entropy Alloy, HEA）具有优异的低温力学性能，被认为是用作焊缝（Weld Metal, WM）填料的理想材料，可改善液氢储罐焊接接头的低温服役性能。本研究采用(CoCrNi)90Mn10和(CoCrNi)87Mn10Ti3两种填充金属对低温奥氏体高锰钢进行焊接，分别测试了两种焊接接头在298 K（25 ℃）和77 K（-196 ℃）下的拉伸性能、冲击韧性和断裂韧性，重点研究了微量Ti添加对焊缝区显微组织、力学性能及变形机制的影响。值得注意的是，填充金属中微量Ti的加入细化了焊缝金属特别是近熔合线区域的晶粒，但由于原位生成的TiC颗粒促进了力学测试过程中裂纹的萌生与扩展，对焊接接头在298 K和77 K下的拉伸性能和焊缝韧性均产生不利影响。与(CoCrNi)90Mn10接头相比，(CoCrNi)87Mn10Ti3接头在77 K下的极限抗拉强度（Ultimate Tensile Strength, UTS）和断裂延伸率下降幅度均超过23%；此外，(CoCrNi)90Mn10接头焊缝金属在77 K下的冲击韧性比(CoCrNi)87Mn10Ti3接头高出约38.5%。298 K裂纹尖端张开位移（Crack Tip Opening Displacement, CTOD）试验后，(CoCrNi)90Mn10接头裂纹尖端附近观察到大量变形孪晶；而两种焊接接头在77 K下均以位错滑移为主要变形机制。

本文发表于《Materials Science and Engineering: A》。

研究背景方面，液氢（Liquid Hydrogen, LH₂）因体积储氢密度远高于高压气态氢而成为长距离高效运输的主流方案，LH₂储罐工作温度低至20 K（-253 ℃），要求材料具备极低温下的高韧性，国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）推荐采用成本较低且低温性能优良的高锰（Mn）钢制造液化气储运设备。然而低温奥氏体高锰钢焊接时焊缝金属（Weld Metal, WM）易出现粗大组织且低温力学性能显著下降。现有镍基和不锈钢填充焊丝分别存在成本高、易形成马氏体及晶界碳化物析出等问题。FeCoCrNiMn高熵合金（High-Entropy Alloy, HEA）因低层错能（Stacking Fault Energy, SFE）可在低温激活孪晶变形、位错滑移、堆垛层错及相变等多种协同变形机制，使强度与塑性随降温同步提升，是理想的焊缝强化目标相。已有研究表明采用CoCrNi填充金属焊接高锰钢可通过母材（Base Metal, BM）与填充金属冶金反应在焊缝形成非等原子比FeCoCrNiMn HEA，改善接头低温性能，但仍存在焊缝Mn含量偏低及晶粒粗大问题。为此研究人员在CoCrNi填料基础上添加Mn元素以促进形成近等原子比HEA，并尝试添加微量Ti利用原位生成TiC粒子细化晶粒，系统考察其对焊接接头室温和77 K力学性能的影响。

关键技术方法：研究人员选用1.5 mm厚Fe?23Mn?0.4C低温奥氏体高锰钢作为母材（Base Metal, BM），设计两种填充金属——(CoCrNi)₉₀Mn₁₀（Co 31.36 wt.%、Cr 27.67 wt.%、Ni 21.23 wt.%、Mn 9.74 wt.%）和(CoCrNi)₈₇Mn₁₀Ti₃，采用惰性气体保护焊工艺进行对接焊。焊后对两种接头分别在298 K和77 K下进行拉伸试验、夏比V型缺口（Charpy V?notch, CVN）冲击试验及裂纹尖端张开位移（Crack Tip Opening Displacement, CTOD）断裂韧性试验。利用扫描电镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）配能谱仪（Energy Dispersive Spectroscopy, EDS）分析熔合区元素分布与显微组织，通过电子背散射衍射（Electron Backscattered Diffraction, EBSD）观察晶粒尺寸与孪晶，计算混合熵（ΔS_mix）验证焊缝HEA特征，并结合断口形貌分析断裂行为。

研究结果如下：

Microstructure：EDS线扫描显示两种接头从BM到WM元素成分快速变化，无明显的元素扩散过渡带；BM富Fe、Mn，WM中Fe、Co、Cr、Ni、Mn含量各占约10–30 wt.%，经计算混合熵ΔS_mix表明两焊缝均具高熵/中熵合金特征。(CoCrNi)₈₇Mn₁₀Ti₃焊缝因BM中C与填充金属中Ti原位生成TiC颗粒作为异质形核质点并钉扎晶界，使WM特别是近界面区晶粒较(CoCrNi)₉₀Mn₁₀焊缝明显细化，TiC颗粒弥散分布于晶内及晶界。

Discussion：虽Ti添加实现晶粒细化，但原位形成的TiC颗粒在受力时成为裂纹萌生源并促进裂纹沿颗粒/基体界面或穿过颗粒扩展，削弱接头强韧性。77 K时层错能降低促使(CoCrNi)₉₀Mn₁₀焊缝在CTOD试验裂纹尖端发生孪生诱导塑性（Twinning?Induced Plasticity, TWIP）效应产生大量变形孪晶吸收能量；而含Ti接头因TiC粒子阻碍孪生且本身易开裂，未观测到明显孪晶，室温与低温均以位片滑移为主导变形模式，TWIP效应被抑制。

Conclusions：（翻译结论部分）本研究采用(CoCrNi)₉₀Mn₁₀和(CoCrNi)₈₇Mn₁₀Ti₃两种填充金属对低温奥氏体高锰钢进行焊接，测定并对比了两种焊接接头在298 K（25 ℃）和77 K（-196 ℃）下的拉伸性能、冲击韧性和断裂韧性，重点探究了填充金属中微量Ti添加对焊接接头显微组织及低温力学性能的影响，主要结论如下：(1) 两种焊缝通过BM与填充金属元素混合形成近等原子比FeCoCrNiMn高熵/中熵合金结构，混合熵计算证实其具备高熵合金特征；(2) 微量Ti的加入使焊缝特别是近熔合线区域晶粒细化，归因于BM中C与Ti原位生成TiC颗粒提供异质形核位点并钉扎晶界；(3) 原位TiC颗粒在加载过程中促进裂纹萌生与扩展，导致(CoCrNi)₈₇Mn₁₀Ti₃接头在298 K和77 K下抗拉强度、延伸率及冲击韧性均显著低于(CoCrNi)₉₀Mn₁₀接头，77 K下极限抗拉强度和断裂延伸率降幅超23%，焊缝金属77 K冲击韧性较无Ti接头低约38.5％；(4) (CoCrNi)₉₀Mn₁₀接头在298 K CTOD试验后裂纹尖端观察到大量变形孪晶，体现出低温孪生诱导塑性效应；两种接头在77 K下主要变形机制均为位错滑移；(5) 对于液氢储罐用低温高锰钢焊接，单纯依靠微量Ti与原位TiC颗粒细化焊缝晶粒会因第二相诱发脆化损害低温韧性，不含Ti的(CoCrNi)₉₀Mn₁₀填充金属更适宜作为开发先进低温焊接填料的基准成分。上述结果为液氢储罐用低温高锰钢先进填充金属的开发提供了重要实验依据。