CN106541222A

CN106541222A - 高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝及其制备和使用

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Publication number: CN106541222A
Application number: CN201510609310.8A
Authority: CN
Inventors: 陆善平; 张旭; 李殿中; 李依依
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2035-09-22
Also published as: CN106541222B

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，具体为一种高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝及其制备方法和使用方法。按重量百分比计，其基本化学成分组成为：Cr：28.0～31.0％，Fe：7.0～11.0％，C：≤0.04％，Mn：≤1.0％，Si：≤0.15％，Ti：≤0.5％，Al：≤0.4％，Al+Ti：≤0.8％，Mo：2.0～4.0％，Nb：1.5～2.5％，S：＜0.005％，P：＜0.005％，O≤0.005％，H≤2ppm，N≤0.02％，Ca：＜0.005％，Mg：＜0.005％，Ta：＜0.02％，Cu：＜0.02％，Co：＜0.02％，Ni为余量。本发明能够满足核电站发展要求和提高核岛主设备材料性能，其抗高温失塑裂纹能力好于目前核岛主设备制备过程中采用的ERNiCrFe-7A焊材，降低产品返修率和制造成本。

Description

高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝及其制备和使用

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体为一种高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝及其制备方法和使用方法。

背景技术

我国目前正在大力发展核电事业，第三代核电技术是目前所发展的核电站所采用的主流核电技术，使用寿命要求从40年延长到60年。因此对核岛主设备材料提出了更高的要求。

Inconel FM 52M(ERNiCrFe-7A)焊丝是目前在核岛主设备制造中应用最为广泛的镍基焊材，其具有优异的抗腐蚀性能。该镍基焊丝在核岛主设备焊接过程中经常会出现一种高温失塑裂纹(DDC)，由于其尺寸小，X射线很难将其完全探测出来，但其往往会成为其他失效行为的诱发源，对核岛主设备的安全服役危害很大。核电站的发展对核岛主设备及材料性能要求进一步提高，目前大量使用的52M焊丝，其高温性能和抗裂纹能力有待进一步提高。该焊接材料的焊缝熔敷金属性能可达到如下技术要求：室温抗拉强度σ_b≥700MPa，350℃抗拉强度σ_b≥590MPa，室温标准冲击功AKv≥70J。

发明内容

针对目前核电站发展对核电材料带来的挑战，本发明的目的在于提供一种高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝及其制备方法和使用方法，特别适用于核岛主设备相关部件(安全端、堆芯支撑块、蒸汽发生器U型传热管与管板之间)的焊接，高温强度高，无高温失塑裂纹等影响焊接质量和焊接效率的缺陷。

本发明的技术方案为：

一种高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝，按重量百分比计，其基本化学成分组成为：Cr：28.0～31.0％，Fe：7.0～11.0％，C：≤0.04％，Mn：≤1.0％，Si：≤0.15％，Ti：≤0.5％，Al：≤0.4％，Al+Ti：≤0.8％，Mo：2.0～4.0％，Nb：1.5～2.5％，S：＜0.005％，P：＜0.005％，O≤0.005％，H≤2ppm，N≤0.02％，Ca：＜0.005％，Mg：＜0.005％，Ta：＜0.02％，Cu：＜0.02％，Co：＜0.02％，Ni为余量。

所述的高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝的制备方法，采用真空熔炼和电渣重熔方法制备的母合金钢锭，经过1100～1150℃保温3～5h后锻造成方坯；锻造后的方坯经过1130～1180℃保温1～2h后热连轧成Φ6.5mm盘条；盘条经过连续冷拉拔和中间充氢退火后制成Φ1.2mm焊丝，其抗拉强度在1000～1300MPa之间。

所述的高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝的使用方法，取规格为Φ1.2mm焊丝，采用半自动送丝钨极氩弧焊，焊接参数为：焊接电流：160～240A，电弧电压：10.5～11V，送丝速度：900～1200mm/min，焊接速度：85～110mm/min，电流极限/极性：DC/SP，电弧保护：99.99％高纯度氩气，获得焊缝熔敷金属。

所述的高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝的使用方法，焊缝熔敷金属的室温抗拉强度σ_b>700MPa，350℃高温抗拉强度σ_b>590MPa。

所述的高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝的使用方法，该核电用镍基焊丝能够抑制核岛主设备镍基焊缝中出现的高温失塑裂纹，能够降低核岛主设备焊接过程中的返修效率。

本发明中，主要元素设计思想如下：

Cr:

Cr是碳化物形成元素。增加Cr含量可以降低镍基合金在含氯离子和阳离子的高温水中的应力腐蚀开裂(SCC)开裂敏感性，Cr含量达到28.0～31.0％时合金具有良好的抗腐蚀性能。

Fe:

Fe在脱氧纯水或含氯离子水中具有应力腐蚀开裂敏感性，是镍基合金在这些环境中发生应力腐蚀开裂的主要原因。加入一定量的Fe可以降低合金成本。因此，Fe含量控制在7.0％～11.0％。

Ti、Al:

Ti在镍基合金中可以提高合金的强度，随着Ti含量的增加，合金中析出γ′相的量也随之增加。Ti也是碳化物形成元素，Ti与C形成TiC，随着Ti含量的增加，合金中的M₂₃C₆的平均尺寸减小，M₂₃C₆的析出相比例相对减少。在镍基合金中，Ti的主要作用是脱氧及细化晶粒。Al也是镍基合金中沉淀强化元素，促进形成的γ′能够提高焊缝金属的强度。Al含量过高时，焊缝金属元素烧损严重，会出现氧化性点状夹杂缺陷。Al在镍基焊材中主要被用来脱氧。高Ti/Al比合金一般在高温下使用，低Ti/Al比合金对于良好的抗热腐蚀性能是有必要的。本发明Ti≤0.5％，Al≤0.4％，Al+Ti含量控制在0.8％以下。

Mo:

Mo在固溶强化元素，能够提高镍基合金的高温强度，而且Mo能够很好的提高镍基合金抗点蚀的能力。添加Mo能够在枝晶间析出大量的析出相，阻碍晶界迁移，形成大量弯曲晶界，提高材料抗失塑裂纹的能力。本发明Mo含量控制在2.0～4.0％。

Nb:

Nb在镍基合金中主要起时效强化作用，在焊缝中能提高原子间结合力。Nb也是碳化物形成元素，它与C的结合能力比Cr强，生成NbC减少晶界上C的偏析从而减少M₂₃C₆和M₇C₃的形成，降低晶界贫Cr程度，从而降低晶间腐蚀倾向。形成的MC型细小碳化物能钉扎晶界，增加晶界弯曲程度，从而能阻碍晶界滑移，降低失塑裂纹的敏感性。本发明Nb含量控制在1.5～2.5％。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明提供的焊丝焊接后，熔敷金属高温强度高，耐腐蚀性好，且焊接过程稳定，缺陷少，工艺性能好，成品率高。

2、本发明提供的焊丝焊缝金属无高温失塑裂纹，可获得符合发明要求的焊缝，接头质量高，焊接返修率低。

3、本发明的焊丝不仅可以用在核岛主设备的制备加工中，还可以用在化工要求高强度耐腐蚀器件的制备加工中。

4、本发明能够满足核电站发展要求和提高核岛主设备材料性能，其抗高温失塑裂纹能力好于目前核岛主设备制备过程中采用的ERNiCrFe-7A焊材，降低产品返修率和制造成本。

具体实施方式

在具体实施方式中，本发明高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝的制备方法，通过真空熔炼和电渣重熔制备母合金钢锭，母合金钢锭经过1130℃保温4h后锻造成断面50×50mm方坯，之后再经过1150℃保温1.5h热连轧成Φ6.5mm的盘条。盘条经过常规多道次的连续冷拉拔和中间充氢退火制成成品Φ1.2mm焊丝，焊丝的抗拉强度为1000～1300MPa。按重量百分比计，所述核电用镍基焊丝的化学成分组成为：

Cr：28.0～31.0％，Fe：7.0～11.0％，C：≤0.04％，Mn：0.7～0.9％，Si：0.10～0.15％，Ti：0.25～0.5％，Al：0.15～0.4％，Al+Ti：0.4～0.8％，Mo：2.0～4.0％，Nb：1.5～2.5％，S：＜0.005％，P：＜0.005％，O≤0.005％，H≤2ppm，N≤0.02％，Ca：＜0.005％，Mg：＜0.005％，Ta：＜0.02％，Cu：＜0.02％，Co：＜0.02％，Ni为余量。

在使用过程中，采用钨极氩弧焊(TIG)焊接，使用99.99％(体积)工业纯Ar作为保护气体，焊接参数为：电流强度：160～240A，电弧电压：10.5～11V，送丝速度：900～1200mm/min，焊接速度：85～110mm/min，电流极限/极性：DC/SP，获得的焊缝熔敷金属，其室温抗拉强度σ_b＝720～800MPa，350℃高温抗拉强度σ_b＝595～650MPa。按重量百分比计，焊接接头熔敷金属的化学成分最终为：

以下将分析焊丝中主要合金元素的作用以及使用这些元素处于成分控制范围内的原因：

Ni、Cr、Fe：

Ni是奥氏体基体，是稳定奥氏体元素；Cr主要起固溶强化作用，也是碳化物形成元素，Cr是稳定合金表面最重要的元素，它在基体材料的表面形成抗氧化和抗腐蚀的保护层，Cr含量控制在28.0～31.0％；Fe的加入能降低合金的成本，Fe含量控制在7.0～11.0％。

Mo：

Mo在固溶强化元素，能够提高镍基合金的高温强度，而且Mo能够很好的提高镍基合金抗点蚀的能力。添加Mo能够在枝晶间析出大量的析出相，阻碍晶界迁移，形成大量弯曲晶界，提高材料抗失塑裂纹的能力，Mo含量控制在2.0～4.0％。

Nb：

Nb在镍基合金中主要起时效强化作用，在焊缝中能提高原子间结合力。Nb也是碳化物形成元素，它与C的结合能力比Cr强，生成NbC减少晶界上C的偏析从而减少M₂₃C₆和M₇C₃的形成，降低晶界贫Cr程度，从而降低晶间腐蚀倾向。形成的MC型细小碳化物能钉扎晶界，增加晶界弯曲程度，从而能阻碍晶界滑移，降低失塑裂纹的敏感性，Nb含量控制在1.5～2.5％。

C：

C在奥氏体镍基合金中的溶解度很小，当合金从固溶温度冷却下来时，C处于过饱和，受到敏化处理时，C和Cr形成碳化物(主要为(Cr,Fe)₂₃C₆型)在晶界析出，会导致晶界处贫Cr，因此需要对C含量加以限制，C含量应控制在0.04％以下。

Si：

Si在镍基合金中都控制在较低含量。因为Si在镍基合金中易引起热裂纹，同时Si含量过高时还明显的降低韧性，Si含量要控制在0.10～0.15％。

Mn：

Mn的加入有利于镍基耐蚀合金的抗结晶开裂性能。一方面，Mn优先与S结合形成MnS(熔点1610℃)，减小S形成低熔点共晶物(如：Ni—Ni₃S₂熔点645℃)的倾向，使得奥氏体—硫化物共晶温度提高；另一方面，增加固液相表面能，减小晶界低熔点共晶液膜形成的可能性，抑制了S、P的不利作用，从而降低熔敷金属结晶裂纹形成倾向，Mn含量控制在0.7～0.9％。

Al、Ti：

Al、Ti在镍基合金母材中的主要作用为改善合金性能提高合金的强度。而在镍基焊缝中Al、Ti的主要作用是脱氧和强化焊缝。合金元素与氧的亲和力越强，焊接过程中的该元素的氧化烧损比例越大，过渡系数越小，Al、Ti对氧亲和力较强，在焊接过程中存在烧损。随着Al、Ti含量的增加，焊接过程中Al、Ti的烧损量也增加，而焊缝中氧含量却一直保持在一个较低值。Al、Ti的烧损量增加，焊缝中形成的Al、Ti的氧化物也增多，Al、Ti的氧化物与杂质元素Ca、Mg形成的氧化物聚集长大，因焊缝中的氧化物增多焊缝熔池的流动性变差，这些聚集长大后的氧化物颗粒就不容易浮出熔池，最终残留在焊缝中或焊缝表面形成点状缺陷。同时，Al、Ti的烧损削弱了其强化焊缝的作用，Al、Ti和Al+Ti控制在：Ti0.25～0.5％，Al 0.15～0.4％，Al+Ti 0.4～0.8％。

S：

S是Ni基合金中有害元素。镍基合金中S的溶解度很小，极易形成晶界偏析，产生低熔点共晶的硫化物，偏析于晶界，在热应变的作用下形成晶界开裂，即结晶裂纹。含硫量均大于0.0060％的材料比其他镍基合金的凝固裂纹敏感性要高，S含量控制在低于0.005％。

P：

P对镍基合金的影响与硫、铅相似。它在合金中虽含量很少，但不能低估它的有害作用。P在合金中主要是与Ni形成低熔点共晶物，偏析于晶界，增大半熔化区宽度，促使裂纹倾向增大，P含量控制在低于0.005％。

本发明提供的焊丝，只要化学成分以及焊丝强度控制在发明要求范围内即可。

表1实施例与比较例焊丝的基本化学成分(wt.％)

合金元素	实施例1	实施例2	比较例1	比较例2	比较例3
						Cr	29.84	29.65	29.80	29.90	29.98
Fe	9.14	8.99	9.18	9.77	9.06
						C	0.019	0.022	0.024	0.022	0.023
Mn	0.79	0.77	0.80	0.77	0.76
						Si	0.12	0.12	0.13	0.12	0.12
Ti	0.29	0.31	0.31	0.31	0.35
						Al	0.18	0.19	0.19	0.16	0.20
Al+Ti	0.47	0.50	0.50	0.47	0.55
						Mo	2.30	3.70	6.08	<0.005	<0.005
Nb	2.39	2.37	2.35	1.72	2.38
						S	0.0026	0.0031	0.0034	0.008	0.0029
P	0.002	0.003	0.002	0.002	0.002
						O	0.004	0.0048	0.0045	0.003	0.0032
H	0.5ppm	0.8ppm	0.4ppm	0.9ppm	0.9ppm
						N	0.012	0.014	0.012	0.010	0.012
Ca	<0.005	<0.005	<0.005	<0.005	<0.005

Mg	<0.005	<0.005	<0.005	<0.005	<0.005
						Ta	<0.02	<0.02	<0.02	<0.02	<0.02
Cu	<0.02	<0.02	<0.02	<0.02	<0.02
						Co	<0.02	<0.02	<0.02	<0.02	<0.02
Ni	余量	余量	余量	余量	余量

表2实施例试验测试结果

表3实施例所采用的试验参数

实施例和比较例结果表明，本发明成分控制范围内，实施例1、2获得的焊缝金属性能室温抗拉强度σ_b>700MPa，350℃高温抗拉强度σ_b>590MPa，室温冲击性能AKv>70J。比较例1中Mo含量过高，室温冲击性能AKv<70J。比较例2、3由于Mo含量过低，室温跟高温强度均达不到要求，高温强度低于590MPa。该核电用镍基焊丝能够很好的抑制核岛主设备镍基焊缝中经常出现的高温失塑裂纹(DDC)，能够大大的降低核岛主设备焊接过程中的返修效率。

Claims

1.一种高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝，其特征在于，按重量百分比计，其基本化学成分组成为：Cr：28.0～31.0％，Fe：7.0～11.0％，C：≤0.04％，Mn：≤1.0％，Si：≤0.15％，Ti：≤0.5％，Al：≤0.4％，Al+Ti：≤0.8％，Mo：2.0～4.0％，Nb：1.5～2.5％，S：＜0.005％，P：＜0.005％，O≤0.005％，H≤2ppm，N≤0.02％，Ca：＜0.005％，Mg：＜0.005％，Ta：＜0.02％，Cu：＜0.02％，Co：＜0.02％，Ni为余量。

2.按照权利要求1所述的高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝的制备方法，其特征在于，采用真空熔炼和电渣重熔方法制备的母合金钢锭，经过1100～1150℃保温3～5h后锻造成方坯；锻造后的方坯经过1130～1180℃保温1～2h后热连轧成Φ6.5mm盘条；盘条经过连续冷拉拔和中间充氢退火后制成Φ1.2mm焊丝，其抗拉强度在1000～1300MPa之间。

3.按照权利要求1所述的高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝的使用方法，其特征在于，取规格为Φ1.2mm焊丝，采用半自动送丝钨极氩弧焊，焊接参数为：焊接电流：160～240A，电弧电压：10.5～11V，送丝速度：900～1200mm/min，焊接速度：85～110mm/min，电流极限/极性：DC/SP，电弧保护：99.99％高纯度氩气，获得焊缝熔敷金属。

4.按照权利要求3所述的高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝的使用方法，其特征在于，焊缝熔敷金属的室温抗拉强度σ_b>700MPa，350℃高温抗拉强度σ_b>590MPa。

5.按照权利要求3所述的高温高强度无裂纹缺陷的核电用镍基焊丝的使用方法，其特征在于，该核电用镍基焊丝能够抑制核岛主设备镍基焊缝中出现的高温失塑裂纹，能够降低核岛主设备焊接过程中的返修效率。