CN102581513B

CN102581513B - 一种用于核电站核岛主设备的镍基焊丝

Info

Publication number: CN102581513B
Application number: CN201210057354.0A
Authority: CN
Inventors: 陆善平; 莫文林; 董文超; 李殿中; 李依依
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: CN102581513A

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，具体为一种用于AP1000核电站核岛主设备的镍基焊丝，它是适用于反应堆压力容器焊接(包括驱动管座、接管安全端、堆芯支承块的焊接)和蒸汽发生器焊接(包括管板堆焊以及管子与管板的焊接)的镍基焊丝，解决现有技术中此类焊丝一直依赖于进口，成本较高等问题。其基本化学成分组成为(重量比)：Cr：28.0-31.5％，Fe：7.0-11.0％，Ti：0.4％-1.0％，Al：0.25-1.10％，Al+Ti：0.90-1.5％，Mn≤1.0％，Nb≤0.02％，C：＜0.04％，Si≤0.15％，P＜0.005％，S＜0.005％，B＜0.001％，Zr＜0.02％，Ca＜0.005％，Mg＜0.005％，Ta＜0.02％，Cu＜0.02％，Co＜0.05％，Mo＜0.5％，Ni为余量，其他杂质元素总和＜0.1％。本发明焊丝能够实现焊缝的微合金化，得到符合标准要求的焊缝，可以替代进口焊丝。

Description

一种用于核电站核岛主设备的镍基焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域的焊丝，具体为一种用于AP1000核电站核岛主设备的镍基焊丝，尤其是一种专门使用于反应堆压力容器焊接(包括驱动管座、接管安全端、堆芯支承块的焊接)和蒸汽发生器焊接(包括管板堆焊以及管子与管板的焊接)的镍基焊丝。

背景技术

我国在建的核电站反应堆压力容器均采用二代改进技术，而核电技术已经发展到第三代，使用寿命由40年提高到60年，安全性和经济性进一步提高。我国的AP1000三代核电技术还处于引进、消化、吸收过程中。外方名义上可以100％技术转让，但是他们不转让材料成分、加工工艺、焊接技术。因此，此类焊接材料一直依赖进口。

核岛主设备用镍基合金为NiCrFe-7合金，其是一种具有良好耐腐蚀性能的镍基合金，母材是在Inconel600的基础上进一步提高Cr含量发展而来的，焊接材料也需要随着母合金的发展而发展。这种镍基焊接材料不仅用于镍基合金的焊接，也广泛用于不锈钢零部件的焊接，包括核岛主设备驱动管座焊接，接管安全端焊接和堆芯支承块焊接，蒸汽发生器管板堆焊和管板与管子的焊接。

针对该镍基焊丝一直依赖于进口，国内现有的焊材体系中，还未发现有此类镍基焊丝，也未发现相关的技术报导。根据焊接接头熔敷金属性能要求，对该焊接材料的焊缝熔敷金属具有如下技术要求：室温屈服强度σ_0.2≥240MPa，抗拉强度σ_b≥550MPa，350℃屈服强度σ_0.2≥190MPa，室温标准冲击功AKv≥70J。

发明内容

本发明的目的，就是提供一种用于AP1000核电站核岛主设备的镍基焊丝，它是适用用于反应堆压力容器焊接(包括驱动管座、接管安全端、堆芯支承块的焊接)和蒸汽发生器焊接(包括管板堆焊以及管子与管板的焊接)的镍基焊丝。解决现有技术中此类焊丝一直依赖于进口，成本较高等问题。

本发明的技术方案为：

一种用于AP1000核电站核岛主设备的镍基焊丝，使用真空熔铸炉冶炼或者电炉加炉外精炼方法冶炼制备母合金钢坯，按重量百分比计，使其基本化学成分组成为：

Cr：28.0-31.5％，Fe：7.0-11.0％，Ti：0.4％-1.0％，Al：0.25-1.10％，Al+Ti：0.90-1.5％，Mn≤1.0％，Nb≤0.02％，C：＜0.04％，Si≤0.15％，P＜0.005％，S＜0.005％，B＜0.001％，Zr＜0.02％，Ca＜0.005％，Mg＜0.005％，Ta＜0.02％，Cu＜0.02％，Co＜0.05％，Mo＜0.5％，Ni为余量，其他杂质元素总和＜0.1％。

一种用于AP1000核电站核岛主设备的镍基焊丝，将母合金钢锭进行常规的锻造、轧制、多道次冷拉及在线退火，最终形成焊丝，最终使焊丝的化学成分为：

一种用于AP1000核电站核岛主设备的镍基焊丝，采用钨极氩弧(TIG)焊焊接，使用Ar作为保护气体，最终使焊缝熔敷金属的化学成分为：

所述的用于核电站的核岛主设备镍基焊丝，优选地，Ti：0.6％-0.95％，Al：0.28-0.65％，Al+Ti：0.90-1.5％。

所述用于核电站核岛主设备的镍基焊丝，焊丝规格为Φ0.9mm，焊接工艺方法：半自动填丝钨极惰性气体焊TIG，焊接工艺是，电流强度：130-280A，电弧电压：10-13V，送丝速度为：2000mm/min，焊接速度为：130-180mm/s，电流种类/极性：直流DC/正接SP(工件接正极、焊材接负极)，层间温度：≤100℃，保护气体：Ar，σ_b≥550MPa，气体流量：20L/min。

本发明所具有以下优点：

1、经实验，本发明用于核电站核岛主设备的镍基焊丝，适用于AP1000核岛主设备的焊接，主要用于反应堆压力容器焊接(包括驱动管座、接管安全端、堆芯支承块的焊接)和蒸汽发生器焊接(包括管板堆焊以及管子与管板的焊接)。

2、利用本发明焊丝焊接时，过程稳定，缺陷少，工艺性能好。

3、本发明焊丝能够实现焊缝的微合金化，得到符合标准要求的焊缝，可以替代进口焊丝。

具体实施方式

本发明中，焊丝可采用真空感应炉冶炼生产，亦可采用电炉加炉外精炼方法冶炼生产，只要焊丝最终的化学成分能满足以上发明内容的要求即可。

表1为实施例镍基焊丝的基本化学成分为(重量比％)：

合金元素

实施例1

实施例2

实施例3

实施例4

实施例5

比较例

Cr

29.49

29.98

29.96

29.91

29.51

29.91

Fe

8.83

8.82

8.81

8.84

8.80

8.88

Al

0.42

0.32

0.34

0.29

0.64

0.14

Ti

0.92

0.61

0.62

0.67

0.30

Al+Ti

1.34

0.93

0.96

0.91

1.31

0.44

Mn

0.70

0.30

0.93

0.72

0.81

0.71

Nb

＜0.02

C

0.029

0.033

0.026

0.034

0.026

Si

0.12

0.11

0.12

0.10

0.13

0.11

P

＜0.005

S

＜0.005

B

＜0.001

Zr

＜0.02

Ca

＜0.005

Mg

＜0.005

Ta

＜0.02

Cu

＜0.02

Co

＜0.05

Mo

＜0.5

Ni

余量

以下将分析焊丝中各个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。

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0.5％以下，0.15％以下为最优。

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。其含量控制在＜1.0％。

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含量控制在0.90-1.5％。

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。在焊接时要控制S含量在0.005％以下。

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。所以，P在镍基合金中含量必须控制在最低限度。S、P总含量要小于0.02％。

Zr：

Zr在母合金中偏聚到晶界，减少晶界缺陷，提高晶界结合力，降低晶界扩散速率，从而减缓位错攀移，强化晶界。同时，Zr偏聚于晶界，降低界面能，改变晶界的形态，减小晶界相的尺寸。但在焊缝中，Zr与O的结合能力强而容易被氧化烧损，因此将焊接材料中的Zr含量控制在0.02％以下。

Mg、Ca：

根据本发明Ca、Mg是特别需要控制的合金元素，其含量与点状缺陷的控制密切相关。目前焊丝在现场焊接过程中容易出现这中点状缺陷，又没有好的控制方法，原因是其将Ca、Mg仅当做一般的杂质元素控制。

根据本发明的实验表明：

Ca、Mg与氧的结合能力非常强，形成的CaO和MgO容易和焊接过程中的脱氧产物Al₂O₃和TiO₂聚集长大形成夹杂物残留在焊缝中形成点状缺陷，缺陷主要是Ca、Mg、Al、Ti的氧化物聚集长大而形成的。因此，必须将Ca、Mg控制在极低的范围以下。但在常规的合金冶炼过程中多数使用氧化钙基或镁铝尖晶石的坩埚，在冶炼过程中坩埚中的Mg、Ca容易进入到合金中，不易控制，同时在镍基合金的冶炼过程中还使用Ni-Mg合金作为脱氧剂，在合金中引入了杂质元素Mg。因此在现有的冶炼技术条件下控制Mg＜0.005％、Ca＜0.005％。

Ta：

钽元素在镍基合金中约80％进入γ’相，形成γ’相，而在该焊接材料焊接后的焊缝熔敷金属中希望相组成主要为γ奥氏体与一些碳化物；同时，钽元素是一种战略元素，价格昂贵，应尽量少用。因此，本发明中控制Ta在0.02％以下。

Cu、Co、Mo、B：

镍基合金中Cu的存在使得在焊接过程中容易形成第二相，提高合金的热裂倾向。因此，应将Cu控制在0.02％以下。

在辐照条件下，要使Co元素含量尽量低，本发明控制在0.05％以下。

本发明中，Mo元素控制在0.5％以下，Nb元素控制在％以下。

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含量达到30％时合金具有良好的抗腐蚀性能；Fe的加入能降低合金的成本，控制在7-11％。

表2实施例试验测试结果：

表3以上实施例测试结果的试验条件

采用本发明设计的焊丝化学成分，实施例1-5抗拉强度＞550MPa。比较例中，Al+Ti含量不满足要求，其强度＜550MPa。

根据本发明的焊接材料不仅可以用于非熔化极气体保护焊，也可以用于熔化极气体保护焊，可以进行结构件的焊接，也可以作为一种耐腐蚀材料堆焊在其他材料表面。

上述合金可专门使用于核岛主设备的焊接，也可以考虑在其它工业领域使用该合金。

Claims

1.一种用于核电站核岛主设备的镍基焊丝，其特征在于，按重量百分比计，其基本化学成分组成为，Cr：29.49%，Fe：8.83%，Al：0.42%，Ti：0.92%，Al+Ti：1.34%， Mn：0.70%，Nb：＜0.02%，C：0.029%，Si：0.12%， P＜0.005%，S＜0.005%，B＜0.001%，Zr＜0.02%，Ca＜0.005%，Mg＜0.005%，Ta＜0.02%，Cu＜0.02%，Co＜0.05%， Mo＜0.5%，Ni为余量。

2.按照权利要求1所述的用于核电站核岛主设备的镍基焊丝，其特征在于，使用真空熔铸炉冶炼或者电炉加炉外精炼方法冶炼制备母合金钢坯，按重量百分比计，其基本化学成分组成为，Cr：29.49%，Fe：8.83%，Al：0.42%，Ti：0.92%，Al+Ti：1.34%， Mn：0.70%，Nb：＜0.02%，C：0.029%，Si：0.12%， P＜0.005%，S＜0.005%，B＜0.001%，Zr＜0.02%，Ca＜0.005%，Mg＜0.005%，Ta＜0.02%，Cu＜0.02%，Co＜0.05%， Mo＜0.5%，Ni为余量。