CN101144130B - 用于焊接的焊接合金和物件、焊件以及生产焊件的方法 - Google Patents

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Abstract

用于生产焊件的镍、铬、铁合金和方法以及由此形成的焊件。按重量百分比，所述合金包含约28.5％至31.0％的铬；约0至16％的铁，优选7.0％至10.5％的铁；低于约1.0％的锰，优选0.05％至0.35％的锰；约2.1％至4.0％的铌和钽，优选2.1％至3.5％的铌和钽，并且更优选2.2％至2.8％的铌和钽；0至7.0％的钼，优选1.0％至6.5％的钼，并且更优选3.0％至5.0％的钼；低于0.50％的硅，优选0.05％至0.30％的硅；0.01％至0.35％的钛；0至0.25％的铝；低于1.0％的铜；低于1.0％的钨；低于0.5％的钴；低于约0.10％的锆；低于约0.01％的硫；低于0.01％的硼，优选低于0.0015％的硼，并且更优选低于0.001％的硼；低于0.03％的碳；低于约0.02％的磷；0.002％至0.015％的镁和钙；以及余量的镍和附带的杂质。所述方法包括如下步骤：形成由上述合金组合物得到的焊条并且熔化所述焊条以形成堆焊。由所述合金和方法制造的优选焊件包括核反应堆管板形式的合金基体。

Description

用于焊接的焊接合金和物件、焊件以及生产焊件的方法
技术领域
本发明涉及用于生产焊件的镍、铬、铁、钼、铌的焊接合金、由此制得的物件，以及焊件和用于生产这些焊件的方法。
背景技术
迄今为止，在包括用于原子能发电设备在内的各种焊接应用中，需要提供抵抗各种裂纹现象的焊件。所述裂纹现象不仅包括晶间应力腐蚀裂纹(“IGSCC”)，而且还包括热裂纹、冷裂纹(DDC)以及根部裂纹。
在商用和军用原子能发电设备的使用过程中，核工业用目前约含有30％铬的合金族取代了仅含有14-15％铬的第一代镍合金。该合金族基本上可避免IGSCC，但是现已发现有关同族的焊接产品的其它问题。最初的含30％铬的焊接产品(UNS N06052)约含0.50％Al和0.50％Ti，并且具有相当优良的总体焊接性。然而，尽管细心努力地提供最好的气体保护，但是铝成分几乎总是造成在许多焊缝上的浮动氧化物杂质。如果不经打磨去除，这些氧化物通常会设法进入到多道焊缝内部并作为通过放射照相术或超声波探伤法可检测到的杂质显露出来。当在修理具有辐射性“热”的运行中的核设备组件期间遇到这种情况时，是不能接受的。另外，使用这些焊接产品制得的堆焊容易出现失延裂纹(“DDC”)。
21世纪初提出的新的一族含30％铬镍合金焊接产品解决了这些问题。该合金族(UNS N06054)具有降低的铝和钛含量并且具有额外的硼、锆和铌。这些产品能够产生非常纯净的堆焊，并且不存在现有合金族中浮动氧化物杂质。另外，它们提供改善的抗DDC性能，但是在不利的焊缝形状和每单位体积焊接金属所加入的非常高的热量输入下，发现偶见的DDC裂缝。该合金族还具有抗“根部裂纹”性能以及Kiser的美国专利第6,242,113号中所描述的抗硬化裂纹性能。
本发明通过提供镍、铬、铁、钼、铌的焊接合金以及由此制得的焊件克服了现有技术的缺陷，所述焊接合金和焊件除了提供抗硬化裂纹性能、抗DDC性能、抗根部裂纹性能以及抗应力腐蚀裂纹性能以外，还提供了理想的强度和耐蚀性。此外，本发明提供了不同形式的镍、铬、铁、钼、铌型焊接合金，该合金尤其适用于组装和修理原子能发电中使用的设备。
发明内容
根据本发明，提供了用于产生堆焊的镍、铬、铁、钼、铌合金。该合金在本发明中也被简称为Ni-Cr-Fe合金。按重量百分比，所述合金包含约28.5％至31.0％的铬；约0至16％的铁，优选7.0％至10.5％的铁；约低于1.0％的锰，优选0.05％至0.35％的锰；约2.1％至4.0％的铌和钽，优选2.1％至3.5％的铌和钽，并且更优选2.2至2.8％的铌和钽；0至7.0％的钼，优选1.0％至6.5％的钼，并且更优选3.0％至5.0％的钼；低于0.50％的硅，优选0.05％至0.30％的硅；0.01％至0.35％的钛；0至0.25％的铝；低于1.0％的铜；低于1.0％的钨；低于0.5％的钴；低于约0.10％的锆；低于约0.01％的硫；低于0.01％的硼，优选低于0.0015％的硼，并且更优选低于0.001％的硼；低于0.03％的碳；低于约0.02％的磷；0.002至0.015％的镁和钙，以及余量的镍和附带的杂质。
以铬含量来说，所述合金具有足够的抗应力腐蚀裂纹性能。所述合金的形式可以是堆焊、焊条、具有药皮的焊丝或焊带形式的焊条、具有焊剂芯的鞘(sheath)形式的焊条、堆焊层或包含合金基体的焊件，例如具有本发明合金堆焊层的钢。本发明的合金可用于生产焊条。产生堆焊或焊件的方法中可以使用本发明的合金，所述焊件的形式是用于生产堆焊的药皮焊条，所述方法包括通过潜弧焊或电渣焊进行的焊接。本发明焊件的形式可以是核反应堆的管板。所述合金还可用作生产焊接件的物件，所述物件的形式为焊丝、焊带、焊片、焊棒、焊条、预合金粉末或元素粉末。根据本发明，产生所述堆焊的方法可包括生产由镍/铬焊丝或镍/铬/铁焊丝所定义的上述合金制得的药皮焊条；以及熔化所 述焊条以产生堆焊。
附图说明
图1是本发明合金的显微照片，该合金具有优选的、弯曲的晶界微观结构。
具体实施方式
本发明的NiCrFeMoNb焊接合金(本发明还称作Ni-Cr-Fe合金)具有足量的铬、相当严格地控制的次要化学组分以及痕量元素，以提供适当的耐蚀性和良好的抗应力腐蚀裂纹性能。另外，在不利的加热和重新加热的条件下，所述合金具有抗硬化裂纹性能、抗根部裂纹性能以及抗DDC性能。在高含量和低含量的铁稀释(iron dilution)下，还对本发明的焊接合金进行设计以提供抗DDC性能。
为了赋予抗硬化裂纹性能，对于其合金元素，所述合金应具有适当的溶解性以及窄的液相线-固相线温度范围。同样，该合金应具有低水平的硫、磷和其它低熔点的元素，并且该合金应含有最低水平的在合金中形成低熔点相的元素。
通过增加晶界处的热稳性和延展性并通过创造不规则形状的晶界，在本发明中也称为“弯曲的晶界”，来控制抗DDC性能。通过本发明范围内的硼、锆和铌提供了晶界的优良强度和延展性。当晶界水平有硼和锆时，锆趋向还原界面，而硼有助于控制碳化物的形态。使用足量的铌以形成一次和二次MC型碳化物，较低的硼水平趋向增进MC型碳化物的形成并减少硬化裂纹的趋向。同样，低于0.015％并优选低于0.001％的硼通过降低M23C6的固溶线温度并降低反应速率来延迟M23C6的形成，从而又降低裂纹趋势。参见表I。如上所述，本发明中所有的组分百分比以重量百分比形式表达。
MC碳化物形成通常始发于熔融物中。然而，它可能发生在1150℃至1200℃的低温范围中。对于这些MC碳化物，这提供了足够的时间来冷却焊缝以在多处阻止晶界滑移，从而迫使滑移的界面变得非常不规则或变得弯曲。通过使用弯曲的晶界替代长直的晶界(易于产生 DDC)，产生了提供显著的抗DDC性能的机械联锁网络(mechanicallyinterlocking network)。参见图1，该附图是本发明特征的实例，其中显微照片显示5.7％的应变开裂后，具有弯曲晶界微观结构的加热5的微观结构。钼是硼的清除剂并公知形成Mo2B-MC样的沉淀物。钼也被怀疑在对MC碳化物的大小和分散的控制中起催化剂的作用，而不直接参与MC型碳化物的形成。因此，铌和钼通过其与碳和硼分别反应，形成阻止滑移晶界的沉淀，这导致弯曲晶界的微观结构的形成，其在熔池冷却过程中形成抗DDC性能。由于已知钛、钽和钨形成MC型碳化物，因此设想在原子基础上，用一种或多种这些元素部分取代铌是可行的。硼和锆的水平高于本发明合金组合物的界限所规定的水平是不利的并且由于其对固相线(最后液体凝固的最终凝固温度)的抑制而促使产生硬化裂纹。
俄亥俄州立大学开发的“应变断裂”试验被认为是测定任何抗DDC性能增强的有效且可计量的方法。在2003年12月出版的WeldingJournal，pp.355-S至364-S中描述了这种测试。该试验测量恒温下，作为应变函数的DDC的程度。在金相学上测量固定应变下的裂纹数。在最佳组合范围内或最佳组合范围外的几种组合物的结果如表II所示，并且所选的数据显示了抗热裂纹性能。通过维持低水平的铝、钛和锰，以及受控量的硼、硅和锆，本发明改善了抗根部裂纹性能。由于镍基质中这些余量的铝、钛、锆、硼、硅和铬，本发明提供了抗固化裂纹性能、抗DDC性能和抗应力腐蚀裂纹性能。将铝和钛保持在低水平，以防止浮动氧化物的形成，并且减少根部裂纹的趋势。然而，甚至是少量的钛对还有利于促进辅助抵抗IGSCC性能是有益的。较低水平的锰有助于减少根部裂纹的趋势，并且其容许使用AOD+ESR熔融法所获得的低水平的硫。此外，与硼抑制对M23C6碳化物的成形成的抑制雷同相同，低于1.0％且优选低于0.40％的锰水平易于趋向抑制M23C6碳化物的形成。参见表I。
表I.
对于使用预测软件*确定的模型组合物，M23C6碳化物的固相线
合金 Ni Al Cr Fe Mn Nb Si Ti B C N M23C6固 相线，℉
基准物 余量 0.1 30 8 0.2 0.2 0.12 0.2 0.0005 0.02 0.02 1937
基准物+0.002B 余量 0.1 30 8 0.2 0.2 0.12 0.2 0.0005 0.02 0.02 1974
基准物+2Mn 余量 0.1 30 8 0.2 0.2 0.12 0.2 0.0005 0.02 0.02 1962
基准物+2.5Nb 余量 0.1 30 8 0.2 0.2 0.12 0.2 0.0005 0.02 0.02 1654
基准物+4Mo+ 2.5Nb 余量 0.1 30 8 0.2 0.2 0.12 0.2 0.0005 0.02 0.02 1604
*JmatPro软件，Version3.0，来自Sente Software
Figure DEST_PATH_S071D8081120070815D000061
虽然已详细描述本发明的具体实施方案，但是本领域技术人员应理解，按照本公开的整体教导可对这些细节进行多种修改和选择。目前本文所描述的优选实施方案仅仅是示例性的，并不限制本发明的范围，所述范围由所附权利要求及其任意和所有等同替代的全部范围所给定的。

Claims (23)

1.Ni-Cr-Fe合金，按重量百分比，其含有：28.5％至31.0％Cr、高达11％Fe、低于1.0％Mn、2.1％至4.0％Nb+Ta、1％至6.5％Mo、低于0.50％Si、0.01％至0.35％Ti、高达0.25％Al、低于0.20％Cu、低于1.0％W、低于0.12％Co、低于0.10％Zr、低于0.01％S、低于0.01％B、低于0.03％C、低于0.02％P、0.002％至0.015％Mg+Ca、余量的Ni和附带的杂质，其中冷却焊缝后，所述合金具有特征为弯曲晶界的微观结构。
2.如权利要求1所述的合金，其含有7.0％至10.5％Fe、0.05％至0.35％Mn、2.1％至3.5％Nb+Ta、0.05％至0.30％Si和低于0.0015％B。
3.如权利要求1所述的合金，其含有2.2％至2.8％Nb+Ta、3.0％至5.0％Mo和低于0.0010％B。
4.如权利要求1所述的合金，其标称含有30％Cr、8％Fe、2.5％Nb+Ta、4％Mo、低于0.35％Mn、0.2％Ti、0.03％Al、0.008％Zr、0.02％C和低于0.001％B。
5.如权利要求1所述的合金，其含有低于1％Fe。
6.堆焊层或焊件中权利要求1所述的合金，其中所述弯曲晶界提供抗失延裂纹性能。
7.权利要求1所述的合金作为焊条的用途。
8.焊条，其含有权利要求1至5中的任一权利要求所述的合金。
9.如权利要求8所述的焊条，其以药皮焊条的形式用于潜弧焊或电渣焊。
10.如权利要求8所述的焊条，其为焊丝、焊带或焊棒的形式。
11.如权利要求8所述的焊条，其为带有药皮的鞘的形式。
12.用于生产焊件的物件，其中所述焊件是由权利要求1所述合金制造的，并且所述物件为焊丝、焊带、焊棒、焊条、预合金粉末或元素粉末的形式。
13.生产焊件的方法，其包括形成Ni-Cr-Fe合金的焊条并熔化所述焊条以形成堆焊，按重量百分比，所述合金含有：28.5％至31.0％Cr、高达11％Fe、低于1.0％Mn、2.1％至4.0％Nb+Ta、1％至6.5％Mo、低于0.50％Si、0.01％至0.35％Ti、高达0.25％Al、低于0.20％Cu、低于1.0％W、低于0.12％Co、低于0.10％Zr、低于0.01％S、低于0.01％B、低于0.03％C、低于0.02％P、0.002％至0.015％Mg+Ca、余量的Ni和附带的杂质，其中所述堆焊具有特征为弯曲晶界的微观结构以提供抗失延裂纹性能。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述合金含有7.0％至10.5％Fe、0.05％至0.35％Mn、2.1％至3.5％Nb+Ta、0.05％至0.30％Si和低于0.0015％B。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述合金含有2.2％至2.8％Nb+Ta、3.0％至5.0％Mo和低于0.0010％B。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述合金标称含有30％Cr、8％Fe、2.5％Nb+Ta、4％Mo、低于0.35％Mn、0.2％Ti、0.03％Al、0.008％Zr、0.02％C和低于0.001％B。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述合金含有低于1％Fe。
18.焊件，其包含合金基体和其上的堆焊层，按重量百分比，所述堆焊层包含：28.5％至31.0％Cr、高达11％Fe、低于1.0％Mn、2.1％至4.0％Nb+Ta、1％至6.5％Mo、低于0.50％Si、0.01％至0.35％Ti、高达0.25％Al、低于0.20％Cu、低于1.0％W、低于0.12％Co、低于0.10％Zr、低于0.01％S、低于0.01％B、低于0.03％C、低于0.02％P、0.002％至0.015％Mg+Ca、余量的Ni和附带的杂质，其中所述堆焊层具有特征为弯曲晶界的微观结构以提供抗失延裂纹性能。
19.如权利要求18所述的焊件，其中所述堆焊层含有7.0％至10.5％Fe、0.05％至0.35％Mn、2.1％至3.5％Nb+Ta、0.05％至0.30％Si和低于0.0015％B。
20.如权利要求18所述的焊件，其中所述堆焊层包含2.2％至2.8％Nb+Ta、3.0％至5.0％Mo和低于0.0010％B。
21.如权利要求18所述的焊件，其中所述堆焊层标称包含30％Cr、8％Fe、2.5％Nb+Ta、4％Mo、低于0.35％Mn、0.2％Ti、0.03％Al、0.008％Zr、0.02％C和低于0.001％B。
22.如权利要求18所述的焊件，其为核反应堆的管板的形式。
23.如权利要求18所述的焊件，其中所述堆焊层含有低于1％Fe。
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