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由于具有良好的综合力学性能、优异的耐腐蚀性能以及出色的抗氧化性能,奥氏体基焊材广泛地应用于核电、航天、化工等领域,其中以镍基合金与奥氏体不锈钢应用最为广泛。鉴于苛刻的服役条件和长寿命使用要求,所以奥氏体基焊材的性能优化一直是一个重要的研究方向。微合金化是奥氏体基焊材性能改进的重要手段。铌作为一种重要的微合金化元素,常被添加到材料中以改善合金的使役性能。但是铌元素会扩大奥氏体焊缝金属的凝固区间,促进低熔点共晶相的析出,不利于奥氏体基焊缝金属中热裂纹的控制。因此,系统研究微合金元素铌在奥氏体基焊缝金属中的作用,对研制高性能奥氏体基焊材具有重要的指导意义。本文以核用镍基焊丝Ni-30Cr-9Fe与奥氏体不锈钢焊丝Fe-25Cr-20Ni为研究对象,针对焊缝金属在核电装备应用中出现的失塑裂纹缺陷以及高温服役性能不足等问题,系统研究了铌元素对奥氏体基焊缝金属微观组织、力学性能、耐腐蚀性能、高温变形行为以及高温氧化行为的影响机制。论文的主要研究内容及结论包括:分析了多层多道钨极氩弧焊制备的含铌Ni-30Cr-9Fe焊缝金属的微观组织、力学性能以及耐腐蚀性能,讨论了铌在焊缝金属中的存在形式与作用机制。实验结果表明,由于铌元素的固溶强化作用,提高了焊缝金属的强度。但较高含量铌元素反倒会促进Laves相在焊缝金属枝晶间析出。我们发现,在拉伸过程中大尺寸的Laves相促进了裂纹的形核与扩展,导致焊缝金属塑性下降。由于Laves相与奥氏体基之间的接触电位差,在氧化性介质中构成了腐蚀原电池,导致Laves相快速溶解,焊缝金属出现了严重的点蚀敏感性。尽管在620℃焊后热处理过程中,焊缝金属中的铌影响铬、镍等元素的扩散再分配,焊缝金属枝晶间出现严重的贫铬现象,增加了Ni-30Cr-9Fe焊缝金属的枝晶间腐蚀敏感性,然而,在铌元素稳定化作用下,Ni-30Cr-9Fe焊缝金属晶界上M23C6被抑制,失塑裂纹得到了很好的控制。利用高温下单轴拉伸实验方法对Fe-25Cr-20Ni焊缝金属的高温变形行为进行了研究,分析了铌元素与温度对Fe-25Cr-20Ni焊缝金属强度与塑性的影响机制。结果表明,随着温度的升高,Fe-25Cr-20Ni焊缝金属的抗拉强度与屈服强度均单调下降,而其延伸率出现了先降低后升高再降低的趋势。室温变形过程中,Fe-25Cr-20Ni焊缝金属中变形孪晶产生,是造成焊缝金属具有较高的强度与塑性的主要因素。铌元素的添加显著提高了Fe-25Cr-20Ni焊缝金属的高温强度,使其1000℃时抗拉强度提升了 57%。另外,碳氮化铌在焊缝金属凝固过程中钉扎晶界,促进了弯曲晶界的形成,使焊缝金属在高温阶段断裂由沿晶脆断转变为穿晶韧断,大大提高了其高温塑性。但在室温拉伸过程中,碳氮化铌会发生破裂,促进裂纹的萌生与扩展,从而造成焊缝金属室温塑性降低。分析了 Fe-25Cr-20Ni焊缝金属在700℃时效过程中微观组织与力学性能之间的关系,阐明了铌元素在焊缝金属微观组织与力学性能演变过程中的作用机制。结果表明,铌元素促进了焊缝金属时效过程中体心立方结构的α-Cr相和四方结构的Z-CrNbN相的析出。枝晶间α-Cr相与晶界上M23C6的快速析出与粗化,恶化了焊缝金属的塑性与韧性。此外,时效过程中第二相的析出,也降低了焊缝金属基体中铌元素的固溶含量,导致焊缝金属700℃抗拉强度出现下降。Z-CrNbN相的析出会消耗焊缝金属中一次碳氮化铌,因而其对焊缝金属强度提升效果不明显。探索了Fe-25Cr-20Ni焊缝金属1100℃干燥空气中的静态氧化行为,揭示了铌元素对焊缝金属表面氧化膜形成的影响机制。研究结果表明,Fe-25Cr-20Ni焊缝金属在1100℃氧化过程中表面形成的氧化膜为双层结构:内层为铬的氧化物,外层为富铁、锰的尖晶石型氧化物。铌元素在高温下抑制了铬元素的扩散,焊缝金属近表面出现严重的贫铬区,导致表面形成的Cr2O3氧化膜致密性变差,这使合金元素在氧化膜中的扩散变得容易,大大增加了焊缝金属的氧化速率。同时,由于焊缝金属基体中合金元素的大量外扩散,基体中氧化孔洞增加,氧化膜与基体之间的结合力变差,高温氧化过程中出现了严重的氧化膜剥落现象。此外,铌的氧化物在氧化膜与基体界面处生成,在界面处产生较大的内应力,进一步增加了焊缝金属表面氧化膜的剥落。因此,Fe-25Cr-20Ni焊缝金属在高温氧化过程中,铌元素的添加降低了表面氧化膜的致密性与完整性,对其抗氧化性能不利。