武汉大学|JMST|谁说马氏体钢不惧热裂纹?他们不仅发现了元凶,还一招制敌
摘要：本文揭示了第四代9Cr马氏体耐热钢热影响区（HAZ）中由硼化物引发的严重液化裂纹，尽管通常认为马氏体钢具有较高的抗热裂纹敏感性。热影响区中由液化裂纹引起的脆性断裂阻碍了超超临界发电机组的发展。通过热模拟实验再现了模拟热影响区中的液化裂纹，并借助多尺度表征和热力学计算，明确识别了由双相M₂B硼化物诱导的组分液化。高液化裂纹敏感性主要归因于聚集的微米级初生W₂B硼化物的液化。为缓解这一问题，对铸态材料进行了电渣重熔（ESR）处理，以促进微观组织细化和硼化物弥散分布，同时结合成分调控降低B含量以减少硼化物析出。研究表明，液化裂纹敏感性可以被完全抑制。该研究为抑制新型9Cr马氏体耐热钢中由硼化物主导的组分液化提供了理论指导。
9Cr-3W-3Co-VNbCuB马氏体耐热钢，也称为G115钢。原始态的G115母材在铸造后经历了一系列热处理，包括热轧（始锻加热1150°C，粗轧1100°C，精轧950°C）、1080°C正火1小时，以及780°C回火2小时，随后空冷（图1(a)）。原始G115钢设计为9Cr(#1)钢，其B含量为0.012wt.%。仅铸造后经电渣重熔处理的试样称为9Cr_ESR (#2)钢。对于9Cr_ESR + LB (#3)钢，则同时采用了电渣重熔和B含量减半（0.006wt.%）的处理。其余元素含量基本一致，如表1所列。电渣重熔在氩气气氛下进行，工艺参数为30 V、2.3 kA、1.2 kg/min。将铸态铸锭锻造为自耗电极进行重熔，所用渣系组成为：CaF2 (47.3wt.%)、CaO (20.5wt.%)、SiO2 (9.0wt.%)、B2O3 (0.5wt.%)、Al2O3 (22.0wt.%)和MgO (0.5wt.%)。重熔锭中的B含量主要取决于渣系中的B2O3含量。使用热-力模拟试验机（Gleeble-3500）通过焊接热循环来模拟热影响区（HAZ）。采用冷却过程热延性试验评估液化裂纹敏感性（LCS）。首先确定了近熔合线HAZ的峰值温度，即零强度温度（NST），该温度对应于在9 kg低静载和10 °C/s加热速率下的断裂温度。图S2显示，9Cr(#1)、9Cr(#2)和9Cr(#3)钢的NST分别为1362、1367和1377 °C。在热延性试验中，将拉伸试样以110 °C/s的速率加热至NST，然后以50 °C/s的速率冷却至设定温度，分别为1300、1250、1200、1150、1100和1050 °C（图1(b)）。试样在设定温度下以50 mm/s的应变速率拉至断裂。采用断裂试样的断面收缩率（R.A.）来评估模拟HAZ的热延性。每个温度下的结果为三个试样的平均值。
本研究验证了新型9Cr马氏体耐热钢中硼化物主导的液化裂纹及其潜在机制，并重点探索了针对性的冶金抑制措施。研究得出以下主要结论：（1）通过热模拟进行的热延性试验再现了新型G115马氏体钢热影响区（HAZ）中的液化裂纹，揭示了原始成分和工艺下的9Cr(#1)钢在NST（1362°C）至1147°C范围内具有液化裂纹敏感性（LCSR）。具有宽凝固范围的低熔点液膜导致焊接冷却过程中HAZ产生显著的液化裂纹敏感性。（2）液化裂纹由C16型W₂B和Cb型Cr₂B双相M₂B硼化物的组分液化引起。双相M₂B由于其溶解温度高达近1200°C，在常规热处理过程中无法溶解，从而在焊接加热过程中与γ-Fe基体引发共晶反应。共晶液膜的成分为(Cr, Fe, W)₂B。（3）溶解动力学和准原位观察揭示了大尺寸及带状聚集硼化物对液化裂纹敏感性的恶化作用。微米级初生W₂B颗粒是组分液化的主要原因。硼化物聚集会导致HAZ局部严重液化和热延性降低。（4）对铸态材料进行电渣重熔（ESR）有助于B溶质的再分配，使初生W₂B硼化物弥散分布，并凭借其快速结晶速率进一步减小硼化物尺寸。降低B含量可直接减少硼化物的体积分数。ESR与降低B含量的协同作用可减轻组分液化和局部脆性，最终抑制液化裂纹敏感性。论文信息：Wang X, Huang T, Zhu D D, Sun X X, Zeng F W. Multiscale insight for dual-phase M₂B-induced liquation cracking and suppression in novel 9Cr martensitic heat-resistant steel[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2027, 278: 154-163.声明：本文是笔者基于公开学术资料的个人学习与分享，旨在整理和传播相关知识。笔者水平有限，疏漏、不足之处在所难免，所有内容及解读仅代表个人观点，仅供读者交流参考，不构成任何领域的专业建议。若文章中存在任何表述、解读或引述不准确之处，恳请各位读者留言批评指正。
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