本研究由Yaqi Wang（上海交通大学材料科学与工程学院）、Haichao Cui（上海交通大学）、Manjie Fan（上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂）、Yunxia Chen（上海电机学院材料科学与工程学院）和Fenggui Lu（上海交通大学材料科学与工程学院，通讯作者）合作完成，发表于2019年的《Materials Characterization》期刊第151卷。

学术背景
该研究聚焦于高铬耐热钢（high Cr heat-resistant steel）与镍基合金617（Ni-based alloy 617）异种金属焊接界面处的梯度微观结构（gradient microstructure）表征与形成机制，属于材料科学与焊接工程交叉领域。随着超超临界（USC）发电机组对高温高压环境的需求，异种金属焊接（dissimilar metal weld）成为经济可行的解决方案，但焊接界面处的宏观偏析（macrosegregation）和弱化区易导致性能退化。此前研究多集中于沿熔合线（fusion line）的界面微观结构，而对“岛状”（island-like）和“半岛状”（peninsula-like）结构的内部梯度特征缺乏系统研究。本研究旨在揭示梯度微观结构的组成、相变行为及其与流体流动（fluid flow）的关联。

研究流程与方法
1. 材料与焊接工艺
- 研究对象：高铬耐热钢（BM1）和镍基合金617（BM2）采用Thermanit 617焊丝，通过窄间隙钨极气体保护焊（NG-TIG）进行多层焊接，焊接参数为电流250A、电压15V、焊接速度150 mm/min，焊后热处理（PWHT）为680℃保温10小时。
- 创新方法：采用摆动电弧系统（oscillating arc system）控制熔池流动，结合多道次焊接设计以调控θ角（熔合线与多层界面切线的夹角）。

1. 微观结构表征

   • 使用4%硝酸酒精（nital）和Kalling’s试剂分别蚀刻BM1与WM/BM2，通过光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）观察“岛状”与“半岛状”结构。
     
   • 电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒尺寸与晶体结构（BCC/FCC），电子探针微区分析（EPMA）绘制元素（C、Fe、Ni）分布图。
     
   • 透射电镜（TEM）和扫描透射电镜（STEM）结合能谱（EDS）鉴定PMZ（部分混合区）和TZ（过渡区）的相组成，聚焦离子束（FIB）制备TEM样品。
     
   • 纳米压痕（nanoindentation）测试硬度分布（载荷200 nm深度，间距2 μm），验证相变导致的力学性能差异。

2. 数据分析

   • 通过JMatPro软件计算液相线温度（liquidus temperature）差异（BM1: 1430℃ vs. WM: 1356℃），解释宏观偏析形成条件。
     
   • 结合流体力学“无滑移边界条件”（no-slip boundary condition）理论，建立θ角与梯度结构形成的关联模型。

主要结果
1. 梯度结构组成
- 岛状结构包含未混合区（UMZ）、部分混合区（PMZ）和过渡区（TZ）。UMZ为细等轴回火马氏体（tempered martensite），PMZ呈现层状结构（镍缺乏铁素体+镍富集板条马氏体），TZ为无碳化物铁素体（carbide-free ferrite）。
- 半岛状结构仅含UMZ，其形成与θ=0时的单向熔体流动相关（图12a）。

1. 相变机制

   • PWHT过程中，PMZ的镍富集区（Ni>7.34%）发生再奥氏体化（reaustenitization），冷却后形成新鲜马氏体（纳米硬度6.3 GPa），而镍缺乏区保留回火组织（图13）。
     
   • TZ因高Ni含量（>7.34%）完全奥氏体化，抑制碳扩散，导致碳在PMZ/TZ界面富集并形成M23C6碳化物（图14）。

2. 流体流动影响

   • θ>0时（图12b），熔体三维流动促进元素混合，形成梯度结构；θ=0时仅UMZ存在。磁偏吹（magnetic bias blowing）可能是θ角变化的主因。

结论与价值
1. 科学价值
- 首次系统阐明了钢-Ni异种焊接中梯度微观结构的三区（UMZ-PMZ-TZ）组成及其相变序列，揭示了Ni含量梯度对马氏体转变的调控作用。
- 提出θ角作为工艺设计参数，为通过多层焊接控制熔池流动提供了理论依据。

1. 应用价值
   
   • 优化焊接工艺（如调整θ角）可减少弱化区，提升核电/火电关键部件的服役安全性。
     
   • 碳偏聚机制的发现为抑制氢致开裂（HIC）和应力腐蚀（SCC）提供了新思路。

研究亮点
1. 创新发现
- 首次报道TZ中BCC结构铁素体与高Ni含量的共存现象（传统理论预测为FCC）。
- 揭示PWHT中碳迁移受晶体结构（BCC/FCC）而非浓度梯度主导的机制。

1. 方法创新
   
   • 结合EBSD-EPMA-TEM多尺度表征，建立成分-结构-性能的完整关联链。
     
   • 开发基于纳米压痕的相变区定位技术，解决了传统蚀刻法的分辨率限制。

其他价值
- 发现Type II晶界（平行熔合线）与岛状结构的形成相关，为后续研究焊接失效提供了新靶点。
- 通过Ta/Y元素添加拓宽马氏体层的尝试（引用25），为材料改性提供了实验依据。