铅冷快堆是第四代核能系统的重要堆型，其结构材料需长期承受高温、辐照和液态铅铋腐蚀等苛刻服役环境。高硅奥氏体不锈钢具有优异的耐铅铋腐蚀性能，是铅冷快堆堆容器、堆内构件等核心设备的重要候选结构材料。然而，Si添加会显著改变高温服役过程的相析出机制，并诱发奥氏体分解，影响材料的长期组织稳定性。
近期，中国科学院金属研究所特种合金研究部联合香港理工大学机械工程学系，在前期揭示高硅奥氏体钢中Si诱导奥氏体分解行为及其导致的力学性能退化机制的基础上(Acta Mater., 272 (2024) 119948)，通过引入稳定化元素Nb，系统研究了550℃长期热老化过程中Nb对奥氏体分解行为的调控作用。研究发现，Nb在高硅奥氏体钢中表现出双重作用：一方面，Nb通过优先形成NbC抑制M23C6碳化物析出，显著延缓奥氏体分解;另一方面，Nb与Si之间的强烈相互作用促进富(Nb, Si)团簇形成，并进一步诱导新的奥氏体分解方式(图1、图2)。研究进一步揭示了Nb调控奥氏体分解的两阶段演化机制。中期热老化过程中，(Nb, Si)团簇作为M6C碳化物形核的有利前驱体，M6C生长消耗周围奥氏体中的Ni和C，形成局部贫Ni、贫C微区，诱导-铁素体转变。更长时间热老化后，(Nb, Si)团簇进一步促进G相形核，发生 G 相+ 铁素的共析转变，其片层协同生长主要受分解前沿奥氏体中Nb扩散控制。
基于上述机制，研究团队进一步提出采用900℃稳定化处理，通过预先析出弥散分布的二次NbC，同时降低奥氏体中固溶Nb和C含量，从而协同抑制M6C碳化物和Nb配分诱导的两类奥氏体分解方式。稳定化处理后的材料经550℃长期热老化3000h后仍未观察到明显奥氏体分解(图4)。为耐铅铋腐蚀长寿命高硅奥氏体钢的成分设计和组织稳定性调控提供了新的理论依据。
相关结果以Niobium partitioning-mediated austenite decomposition in a Si-modified austenitic stainless steel during long-term thermal aging at 550 ℃为题发表于Acta Materialia 321 (2026) 122764。谢昂博士为第一作者，陈胜虎研究员和戎利建研究员为共同通讯作者。该研究工作得到了中国科学院战略先导A类专项、辽宁省博士启动项目、国资计划(C档)的资助。
图1 Nb元素配分介导的奥氏体分解过程
图2 富(Nb, Si)团簇的形成及其相邻奥氏体成分变化
图3 Nb调控高硅奥氏体分解的两阶段演化机制
图4 稳定化处理进一步抑制奥氏体分解
