奧氏體不銹鋼因具有良好的強度、韌性和耐腐蝕性，在核電站中廣泛應用，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。傳統上使用的鈷基合金雖在高溫耐磨和腐蝕方面表現很好，但在核電站特殊工作條件下會發生同位素轉變，產生放射性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。這些合金傳統上通過熱噴涂和熔覆技術沉積，也使用激光沉積和各種復合技術來生產致密的堆焊層，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。基體的熔化會導致沉積物被稀釋，嚴重影響堆焊層的性能，粗晶粒也對機械性能產生負面影響。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。而異質金屬擴散接頭的界面因成分和性能差異會發生過早失效，使得界面成為最薄弱區域。

針對上述問題，由蘭州理工大學組成的研究團隊利用澤攸科技原位SEM測量系統進行了深入研究，他們的研究旨在探討熱等靜壓（HIP）擴散連接的 Ni60A-0Cr18Ni10Ti 異質接頭的力學性能、微觀結構和連接機制。相關成果以"Mechanical properties and joining mechanism of hot isostatic pressing (HIP) diffusion bonded Ni60A-0Cr18Ni10Ti heterogeneous joint"發表在《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容集中在通過熱等靜壓（HIP）擴散連接技術來制造Ni60A（Ni-Cr-B-Si）硬面層，并將其與0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼基材結合，以形成異種接頭。研究的核心目標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合強度進行了評估。通過HIP擴散連接技術，研究人員能夠在Ni60A硬面層和0Cr18Ni10Ti基材之間實現優異的冶金結合，這種結合具有低稀釋率，有利于制備更薄且性能更高的硬面層，同時節約成本。接著研究深入探討了硬面層和接頭的微觀結構，包括不同區域的相組成和分布，如Ni60A硬面層、過渡區、變形區和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，以及過渡區和變形區中的納米孿晶（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擴散連接過程中的連接機制，包括元素的互擴散、固溶體層的形成、以及由于擴散誘導再結晶（DIR）導致的過渡區形成。研究人員提出了一個兩階段的HIP擴散連接機制，包括初始的表面塑性變形和隨后的擴散控制機制。研究分析了接頭的斷裂機制，發現斷裂發生在Ni60A硬面層一側，大約距離界面70微米處，這一區域Cr7C3沉淀物的大量存在導致了硬度的顯著增加。這一發現對于理解接頭的失效模式和優化硬面層的設計具有重要意義。綜上這篇論文提供了關于Ni60A-0Cr18Ni10Ti異種接頭的機械性能、微觀結構和連接機制的全面分析，為核電站等高輻射環境下應用的硬面材料的開發提供了科學依據。

圖 Ni60A 堆焊層界面的顯微硬度和微觀結構

下圖為本研究成果中用到的澤攸科技原位SEM拉伸臺產品：