博士生朱艳丽揭示了Hf微合金化对NiCrFe-7A熔覆金属微观组织和力学性能的影响

近期，兰州理工大学曹睿教授与大西洋焊接材料股份有限公司及英国巴斯大学张都耀博士在核级镍基合金熔覆金属改性领域取得重要进展，并以题为“Stronger yet ductile NiCrFe-7A weld metals through Hf microalloying”发表在《Materials Science & Engineering A》上。博士研究生朱艳丽为第一作者，曹睿教授和张都耀博士为通讯作者。

简介

针对核级镍基熔覆金属抗拉强度不足的问题，研究了Hf微合金化对NiCrFe-7A熔覆金属微观组织和力学性能的影响。Hf微合金化促进了岛状平台的形成，促进了纳米级γ′和γ′′相的形核，细化了晶粒。微观组织的变化，特别是细小第二相和晶界数量的增加，抑制了晶界迁移和位错运动，主要通过沉淀强化提高了抗拉强度。此外，Nb3Ni2Si相中的层错有助于能量吸收和应力释放，降低了塑性损失。结合理论模型与实验结果，这项工作提供了通过特定微合金化制备高性能核级镍基熔覆金属的新见解。

亮点

Hf促进了包含第二相γ'和γ''的岛状平台的形成；
Hf引发元素偏析进而促进Nb3Ni2Si相的形成，该相有明显层错特征；
Hf微合金化主要通过沉淀强化提高了合金的抗拉强度。

图文

Hf微合金化促进了合金的枝晶细化，岛状平台增加，以及新相的形成。Hf00合金的平均枝晶宽度为26.23 μm ± 0.53 μm，而Hf10和Hf20合金的平均枝晶宽度分别为20.96 ± 0.42和18.49 μm ± 0.26。Hf00熔覆金属主要包含不规则的小尺寸相Al2O3，规则的块状相MC，随着Hf含量的增加，Hf10和Hf20熔覆金属中除了Al2O3和MC相，岛状平台更加突出和变多；另外，在Hf10和Hf20熔覆金属中析出了新的颗粒相Nb3Ni2Si。

图1 NiCrFe-7A熔覆金属 Hf00（a、b）、Hf10（d、e）、Hf20（g、h）和 Hf40（i）中的枝晶和物相等微观组织；含铪和无铪熔覆金属的物相的放大图（c、f）

图2 Hf 20 熔覆金属颗粒相边界的 3D-APT 结果：（a）标有镍 65%等弄浓度面的元素分布图以及（b）单个元素分布图；（c, d）包含（a）图中所标示圆柱体相界线的元素分布

Hf微合金化促进了合金的强韧化。Hf00合金的屈服强度和抗拉强度分别为354 MPa和603 MPa，延伸率为62%。相比之下，Hf10和Hf20熔覆金属显示出屈服强度的改善，Hf10熔覆金属的抗拉强度分别提高了1.9%和9.6%，达到361 MPa和388 MPa，Hf10和Hf20熔覆金属的抗拉强度分别提高了2.3%和6.3%，达到617 MPa和641 MPa的值。Hf10和Hf20熔覆金属的塑性延伸率没有显著降低，断裂伸长率为56%和54%。拉伸结果表明，Hf微合金化可以提高抗拉强度，部分是因为在Hf10和Hf20熔覆金属中增加的相导致更大的位错钉扎和累积效应。

图3 （a）工程应力-应变曲线，（B）包括屈服强度、抗拉强度和伸长率在内的机械性能，（c-e）分别为Hf00、Hf10和Hf20熔覆金属的断口

本研究建立了强度理论模型，对比了Hf00和Hf20熔覆金属的理论屈服强度和实验结果，计算结果吻合良好，偏差较小。通过理论模型计算的结果表明，固溶强化对两种熔覆金属的屈服强度贡献最大，占Hf00熔覆金属的78.18%，占Hf20熔覆金属的67.96%。第二种强化机制是沉淀强化，在Hf00和Hf20熔覆金属中分别占16.94%和24.70%，晶界强化在Hf00和Hf20熔覆金属中起相对较小的作用，百分比为7.87%和7.35%，Hf对固溶强化和晶界强化的影响相对较小，Hf20熔覆金属中的沉淀强化比例明显大于Hf00熔覆金属中的沉淀强化比例。Hf诱导Nb和Si的富集，促进Nb3Ni2Si相的形成，并能进入γ′和γ′′相，促进纳米级第二相的形成，Hf微合金化主要通过沉淀强化能有效地提高合金的强度。

图4 Hf 00和Hf 20熔覆金属岛状平台上纳米级γ′和γ′′相：Hf 00和Hf 20熔覆金属的SAED图和示意图（a，b，c）；两种熔覆金属的高分辨和IFFT结果（d）; Hf 00（e，f）和Hf 20（g，h）熔覆金属γ′和γ′′相的高角度环形暗场（HADDF）模式图像；Hf 00（i）和Hf 20（j）熔覆金属的元素面分布图

图5 各种强化机制的强度贡献及其贡献百分比

文章结论

(1)Hf微合金化在岛状平台的形成中起着重要作用，促进Nb和Si的富集，有利于Nb3Ni2Si相的生成; Hf还促进了纳米级γ′和γ″相的形成，并细化了晶界。细小的γ′和γ″相、Nb3Ni2Si相的增加以及晶界数量的增加共同阻碍了位错的运动，从而提高组织强度。

(2)Hf微合金化提高了熔覆金属的强度，屈服强度从354 MPa提高到388 MPa，抗拉强度由603 MPa提高到641 MPa（6.3%）。理论模型计算表明，强度的提高主要是由于固溶强化、晶界强化和沉淀强化，其中沉淀强化，特别是纳米级的γ′和γ′′相是主要贡献因素。
(3)Hf微合金化熔覆金属的延展性基本上不受影响，这主要是由于两个关键因素：首先，Hf降低了层错能，促进了具有层错的Nb3Ni2Si相的形成，从而减轻了塑性的降低；其次，Hf促进晶粒细化进一步促进了塑性的提高。

团队介绍

兰州理工大学曹睿团队研究涵盖先进材料焊接方法和焊接材料开发-材料组织性能分析-材料热冲击、蠕变、腐蚀以及疲劳等使役性能的评估。团队具备进行高低温以及极端工况下材料服役（疲劳、腐蚀、蠕变、冲击、磨损）等行为的研究与失效分析能力。先后承担国家、省部级科研项目以及企业合作项目50余项，发表国内外论文300余篇，出版专著2部。


来源于：焊接冶金与使役性能课题组

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