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奧氏體不銹鋼因具有良好的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性，在核電站中廣泛應(yīng)用，但存在耐磨性和硬度較低的問題。為避免磨損、擦傷、磨損和腐蝕，通常需要通過堆焊層來提高硬度和耐磨性。傳統(tǒng)上使用的鈷基合金雖在高溫耐磨和腐蝕方面表現(xiàn)很好，但在核電站特殊工作條件下會發(fā)生同位素轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生放射性Co60。近年來，Ni-Cr-B-Si合金因劑量率低于鈷基合金且耐磨性好，成為替代鈷基合金的熱門選擇。這些合金傳統(tǒng)上通過熱噴涂和熔覆技術(shù)沉積，也使用激光沉積和各種復(fù)合技術(shù)來生產(chǎn)致密的堆焊層，但仍存在一些問題。

使用上述方法制備的Ni-Cr-B-Si堆焊層存在不可避免的缺陷，如空隙、夾雜物和裂紋等。基體的熔化會導(dǎo)致沉積物被稀釋，嚴(yán)重影響堆焊層的性能，粗晶粒也對機(jī)械性能產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，雖然有各種重熔方法用于獲得堆焊層和基體之間的冶金結(jié)合，但重熔是二次成型過程，會增加稀釋和粗晶粒，同時增加成本且不適用于所有部件。而異質(zhì)金屬擴(kuò)散接頭的界面因成分和性能差異會發(fā)生過早失效，使得界面成為最薄弱區(qū)域。

針對上述問題，由蘭州理工大學(xué)組成的研究團(tuán)隊利用澤攸科技原位SEM測量系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，他們的研究旨在探討熱等靜壓（HIP）擴(kuò)散連接的 Ni60A-0Cr18Ni10Ti 異質(zhì)接頭的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和連接機(jī)制。相關(guān)成果以"Mechanical properties and joining mechanism of hot isostatic pressing (HIP) diffusion bonded Ni60A-0Cr18Ni10Ti heterogeneous joint"發(fā)表在《Materials Characterization》上，全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.113748

這篇論文的主要研究內(nèi)容集中在通過熱等靜壓（HIP）擴(kuò)散連接技術(shù)來制造Ni60A（Ni-Cr-B-Si）硬面層，并將其與0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼基材結(jié)合，以形成異種接頭。研究的核心目標(biāo)是提高硬面層的硬度和耐磨性，同時確保與基材的良好冶金結(jié)合，以及降低稀釋率和晶粒粗化，從而提高硬面層的性能。

圖 顯示熱等靜壓擴(kuò)散連接接頭斷裂表面和輪廓的掃描電子顯微鏡顯微照片。(a - d) Ni60A 堆焊層的斷裂表面。(e - j) Ni60A - 0Cr18Ni10Ti 的斷裂表面和輪廓。(k - n) 0Cr18Ni10Ti 的斷裂表面

研究首先制備了Ni60A硬面層，并對其顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了評估。通過HIP擴(kuò)散連接技術(shù)，研究人員能夠在Ni60A硬面層和0Cr18Ni10Ti基材之間實現(xiàn)優(yōu)異的冶金結(jié)合，這種結(jié)合具有低稀釋率，有利于制備更薄且性能更高的硬面層，同時節(jié)約成本。接著研究深入探討了硬面層和接頭的微觀結(jié)構(gòu)，包括不同區(qū)域的相組成和分布，如Ni60A硬面層、過渡區(qū)、變形區(qū)和0Cr18Ni10Ti基材。通過X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）和透射電子顯微鏡（TEM）等分析手段，研究人員揭示了硬面層中的CrB、Cr7C3、Ni3B、Ni3Si和γ-Ni相，以及過渡區(qū)和變形區(qū)中的納米孿晶（NTs）和Cr2B硼化物。

圖 氣體霧化 Ni60A 粉末的掃描電子顯微鏡圖像和掃描電子顯微鏡 - 能譜儀（SEM - EDS）映射。(a) 背散射電子（BSE）圖像；(b) 二次電子（SE）圖像；(c) B、Si、Fe、C、Cr 和 Ni 的元素映射

此外研究還探討了HIP擴(kuò)散連接過程中的連接機(jī)制，包括元素的互擴(kuò)散、固溶體層的形成、以及由于擴(kuò)散誘導(dǎo)再結(jié)晶（DIR）導(dǎo)致的過渡區(qū)形成。研究人員提出了一個兩階段的HIP擴(kuò)散連接機(jī)制，包括初始的表面塑性變形和隨后的擴(kuò)散控制機(jī)制。研究分析了接頭的斷裂機(jī)制，發(fā)現(xiàn)斷裂發(fā)生在Ni60A硬面層一側(cè)，大約距離界面70微米處，這一區(qū)域Cr7C3沉淀物的大量存在導(dǎo)致了硬度的顯著增加。這一發(fā)現(xiàn)對于理解接頭的失效模式和優(yōu)化硬面層的設(shè)計具有重要意義。綜上這篇論文提供了關(guān)于Ni60A-0Cr18Ni10Ti異種接頭的機(jī)械性能、微觀結(jié)構(gòu)和連接機(jī)制的全面分析，為核電站等高輻射環(huán)境下應(yīng)用的硬面材料的開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。

圖 Ni60A 堆焊層界面的顯微硬度和微觀結(jié)構(gòu)

下圖為本研究成果中用到的澤攸科技原位SEM拉伸臺產(chǎn)品：