武汉大学王学:调控硼含量抑制7CrMoVTiB10.10耐热合金粗晶区的应力释放裂纹

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调控硼含量抑制7CrMoVTiB10.10耐热合金粗晶区的应力释放裂纹

张冬冬, 王学, 张玮 ,赖仙红

武汉大学，动力与机械学院

东方电气集团东方锅炉股份有限公司

河南省科学院，材料研究所

【文献链接】

Zhang, Dongdong, XueWang, WeiZhang, and XianhongLai. 2026. “Regulating the Boron Content to Suppress Stress-Relief Cracking in the Coarse-Grained Heat-Affected Zone of 7CrMoVTiB10.10 Heat-Resistant Alloy,” Rare Metals: e70306. https://doi.org/10.1002/rar2.70306.

【背景介绍】

7CrMoVTiB10.10（T24）钢作为基于 T22 钢改进的先进贝氏体耐热钢，兼具远超传统钢材的高温蠕变强度与优异焊接性能，因此成为超超临界锅炉水冷壁、过热器等高端能源装备关键部件的核心候选材料。然而，严苛的高温高压服役环境与焊接残余应力释放的耦合作用，可能导致其焊接接头粗晶热影响区（CGHAZ）发生应力释放开裂（SRC），严重威胁高温装备结构完整性与运行安全性。目前优化焊接工艺防止SRC效果不佳，需要寻找根治SRC的合金化调控策略。本文利用微合金化元素硼原子半径小、扩散性强的特性，研究了硼在CGHAZ的晶界偏聚机制，以及在阻抑晶界第二相析出方面展现出的独特优势，证实了可以利用B抑制SRC的发生。同时研究了B过量的不利影响，明晰了可量化的B微合金化设计策略，实现了T24钢抗SRC性能的显著提升。

【文章亮点】

1. 提出了一种硼微合金化新策略以解决7CrMoVTiB10.10耐热合金的应力释放开裂（SRC）问题，并确定了抑制其应力释放开裂的最佳硼含量为0.004–0.007wt.%。

2. 硼在晶界的偏聚可提高晶界塑性，同时抑制M₂₃C₆型碳化物的析出，明显提升了7CrMoVTiB10.10耐热合金的抗应力释放开裂性能。

3. 过量硼（>0.007 wt.%）会促进M₂₃(C,B)₆的形成，不仅会消耗游离态硼，还会促进微孔萌生，不利于改善应力释放开裂抗性。

【内容简介】

日前，武汉大学动力与机械学院的王学教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Regulating the Boron Content to Suppress Stress-Relief Cracking in the Coarse-Grained Heat-Affected Zone of 7CrMoVTiB10.10 Heat-Resistant Alloy”的研究文章，采用模拟焊接热循环试验、高温缓慢拉伸测试与多维度微观表征相结合的技术手段，系统探究了硼元素对粗晶热影响区（CGHAZ）组织演变及抗 SRC 性能的调控作用。

研究首先通过模拟焊接热循环制备不同硼含量的 CGHAZ 试样，利用高温缓慢拉伸试验模拟焊接应力释放过程，评估 500 ℃–750 ℃温度区间内硼添加对抑制SRC的技术潜力。随后借助扫描电子显微镜、电子背散射衍射、电子探针微区分析及透射电子显微镜等表征技术，深入研究了断裂特征与显微组织演变规律，重点解析了硼的晶界偏聚行为及碳化物的析出长大机制。最后，结合热力学与动力学计算，阐明了硼抑制 SRC的内在机理，并确定了最优硼含量范围。结果表明，适宜含量（0.004–0.007 wt.%）的硼通过晶界偏聚提升晶界塑性，同时抑制有害M₂₃C₆型碳化物在晶界析出，显著增强材料抗 SRC 能力；而当硼含量超过0.007 wt.%时，会过量生成 M₂₃(C,B)₆型碳硼化物，消耗自由硼原子并促进微孔萌生，反而增大SRC敏感性。该研究为解决超超临界电站用高等级耐热钢焊接接头开裂难题提供了重要的理论支撑与工程应用依据。

【图文解析】

图1 不同硼含量T24钢CGHAZ：(A)在不同拉伸温度下的断面收缩率，(B) 在700 ℃高温拉伸的应力-应变曲线

由不同B含量T24钢CGHAZ在不同温度拉伸后的断面收缩率及应力-应变曲线的变化可以确定：在T24钢中添加适量的硼可以提高高温强度和塑性，抑制SRC敏感性，而过量的硼会降低高温塑性，增大SRC敏感性。

图2 不同T24钢焊态CGHAZ的OM图像：（A）0.001B，（B）0.004B，（C）0.007B，（D）0.010B；700 ℃高温拉伸后CGHAZ断口附近OM图像，（E）0.001B，（F）0.004B，（G）0.007B，（H）0.010B；不同T24钢CGHAZ在700 ℃高温拉伸后的断口SEM图像：低倍：（I）0.001B，（J）0.004B，（K）0.007B，（L）0.010B；高倍：（M）0.001B，（N）0.004B，（O）0.007B，（P）0.010B

由断口附近的OM显微组织可知，不同硼含量 T24 钢CGHAZ的原始奥氏体晶粒尺寸均稳定在 40~50 μm，未随硼含量变化而显著改变，说明SRC敏感性差异与晶粒尺寸无关，且700 ℃拉伸后晶粒变形特征及宏观塑性均随硼含量增加呈先升后降趋势。由断口形貌确认，随B含量的增加，CGHAZ的断裂模式由沿晶脆性断裂转变为沿晶延性断裂，最后又转变为脆性断裂，断口形貌的演化证明了硼含量的增加对T24钢高温塑性的影响呈现先改善后降低的变化规律。

图3 焊态CGHAZ的反极图：（A）0.001B，（G）0.004B，（M）0.007B；焊态CGHAZ的极图：（B）0.001B，（H）0.004B，（N）0.007B；700 ℃高温拉伸后CGHAZ的EBSD分析：反极图：（C）0.001B，（I）0.004B，（O）0.007B；晶界分布图：（D）0.001B，（J）0.004B，（P）0.007B；核平均取向差(KAM)：（E）0.001B，（K）0.004B，（Q）0.007B；应变轮廓图：（F）0.001B，（L）0.004B，（R）0.007B

EBSD观察表明，B含量变化影响了CGHAZ在高温慢拉伸过程中晶内、晶界的应力再分布，从而改变了微观断裂特性。由于B含量变化对CGHAZ显微组织的影响轻微，由此推断B是通过影响沉淀相析出使晶内、晶界的应力再分布发生改变。

图4 不同B含量T24钢焊态CGHAZ的EPMA面扫描分析结果：（A）C、（B）B、（C）Cr；不同B含量T24钢焊态CGHAZ经700℃高温拉伸后的EPMA面扫描分析结果：（D）C、（E）B、（F）Cr

EPMA的结果证明了适当增加硼加剧了B原子在T24钢CGHAZ晶界处的偏聚，减少了晶界碳化物的析出，但是加入过量B（超过0.007 wt. %）导致晶界析出大量含B碳化物。

图5 700 ℃高温拉伸后不同硼含量T24钢CGHAZ断口附近区域的SEM图像：（A）（E）0.001B；（B）（F）0.004B；（C）（G）0.007B；（D）（H）0.010B

SEM结果证明适当增加硼有利于延缓晶界第二相的析出，但B含量过高反而会促进晶界第二相的析出。

图6 700 ℃高温拉伸后不同硼含量T24钢CGHAZ薄膜样品的晶界TEM图像：90 s拉伸中断：（A）0.001B，（B）0.004B，（C）0.007B；完全断裂后：（D）0.001B，（E）0.004B，（F）0.007B；700 ℃高温拉断后不同硼含量T24钢CGHAZ复型样品的晶界TEM形貌及EDS能谱分析：（G）0.001B，（H）0.004B，（I）0.007B

TEM结果表明，随B含量的增加，晶界处析出两种组分的M₂₃C₆型碳化物，一种是含有更多的Cr、更少的Fe的M₂₃C₆型碳化物，被定义为M₂₃C₆#1；另一种含有更多的Fe元素、较少的Mo元素和Cr元素，被定义为M₂₃C₆#2。随着B添加量的增多， M₂₃C₆#2的数量明显增多。

图7 0.004B-CGHAZ晶界处M₂₃C₆#1型碳化物的HRTEM分析：（A）扫描区域；（B）基体的HRTEM图像；（C）相界面的选区电子衍射花样；（D）相界面的晶格条纹像；（E）EDS能谱分析结果；（F）M₂₃C₆#1析出相的HRTEM；（G）M₂₃C₆#1析出相的选区电子衍射花样；（H）M₂₃C₆#1析出相的晶格条纹像；0.004B-CGHAZ晶界处M₂₃C₆#2型碳化物的HRTEM分析：（I）扫描区域；（J）基体的HRTEM图像；（K）相界面的选区电子衍射花样；（L）相界面的晶格条纹像；（M）EDS能谱分析结果；（N）M₂₃C₆#2析出相的HRTEM；（O）M₂₃C₆#2析出相的选区电子衍射花样；（P）M₂₃C₆#2析出相的晶格条纹

HRTEM的结果证明了两种晶界M₂₃C₆型碳化物的差异，进一步证实了添加适量的硼可以抑制M₂₃C₆型碳化物在晶界处的沉淀和生长，过量添加硼会形成大量的M₂₃(C, B)₆相。

图8 不同硼含量对T24钢CGHAZ再热裂纹敏感性影响的机理示意图

添加适量的B时，在高温拉伸过程中，硼元素会偏聚到CGHAZ的晶界附近，占据晶界附近的空位等缺陷，有效提升晶界塑性。同时，硼还能抑制晶界碳化物的析出和长大，不仅减轻晶界附近合金元素贫化，而且减少了微孔洞的产生，避免了晶界塑性降低，使SRC抗性得以提高。当B过量时，晶界M₂₃(C, B)₆相的析出明显增多，促进孔洞产生，导致晶界塑性降低，又增大了SRC敏感性。

【全文小结】

1. 添加适量B（0.004-0.007 wt.%）明显提高T24钢CGHAZ的应力释放裂纹抗性，使其在500~750°C的宽温度区间对应力释放裂纹不敏感。B含量过高或过低均不能防止应力释放裂纹。

2. 提高B含量，并没有明显改变CGHAZ的显微组织，但是增加了B在晶界的偏聚，影响了高温拉伸过程中晶界碳化物的析出行为，导致应力释放裂纹倾向发生变化。

3. 添加适量B提高应力释放裂纹抗性的机理一方面是因为B在晶界的非平衡偏聚提高了CGHAZ的晶界塑性，另一方面它同时抑制了晶界M₂₃C₆的析出和长大。

【作者简介】

编辑：徐子越

校稿：乔双

审核：马雯