鉛冷快堆是第四代核能系統的重要堆型，其結構材料需長期承受高溫、輻照和液態鉛鉍腐蝕等苛刻服役環境。高硅奧氏體不銹鋼具有優異的耐鉛鉍腐蝕性能，是鉛冷快堆堆容器、堆內構件等核心設備的重要候選結構材料。然而，Si添加會顯著改變高溫服役過程的相析出機制，并誘發奧氏體分解，影響材料的長期組織穩定性。

近期，中國科學院金屬研究所特種合金研究部聯合香港理工大學機械工程學系，在前期揭示高硅奧氏體鋼中Si誘導奧氏體分解行為及其導致的力學性能退化機制的基礎上(Acta Mater., 272 (2024) 119948)，通過引入穩定化元素Nb，系統研究了550℃長期熱老化過程中Nb對奧氏體分解行為的調控作用。研究發現，Nb在高硅奧氏體鋼中表現出“雙重作用”：一方面，Nb通過優先形成NbC抑制M23C6碳化物析出，顯著延緩奧氏體分解;另一方面，Nb與Si之間的強烈相互作用促進富(Nb, Si)團簇形成，并進一步誘導新的奧氏體分解方式(圖1、圖2)。研究進一步揭示了Nb調控奧氏體分解的兩階段演化機制。中期熱老化過程中，(Nb, Si)團簇作為M6C碳化物形核的有利前驅體，M6C生長消耗周圍奧氏體中的Ni和C，形成局部貧Ni、貧C微區，誘導γ→α-鐵素體轉變。更長時間熱老化后，(Nb, Si)團簇進一步促進G相形核，發生γ → G 相+ α鐵素的共析轉變，其片層協同生長主要受分解前沿奧氏體中Nb擴散控制。

基于上述機制，研究團隊進一步提出采用900℃穩定化處理，通過預先析出彌散分布的二次NbC，同時降低奧氏體中固溶Nb和C含量，從而協同抑制M6C碳化物和Nb配分誘導的兩類奧氏體分解方式。穩定化處理后的材料經550℃長期熱老化3000h后仍未觀察到明顯奧氏體分解(圖4)。為耐鉛鉍腐蝕長壽命高硅奧氏體鋼的成分設計和組織穩定性調控提供了新的理論依據。

相關結果以“Niobium partitioning-mediated austenite decomposition in a Si-modified austenitic stainless steel during long-term thermal aging at 550 ℃”為題發表于Acta Materialia 321 (2026) 122764。謝昂博士為第一作者，陳勝虎研究員和戎利建研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了中國科學院戰略先導A類專項、遼寧省博士啟動項目、國資計劃(C檔)的資助。

圖1 Nb元素配分介導的奧氏體分解過程