CN107755911A

CN107755911A - 一种用于氧化物弥散强化钢固相焊接的方法

Info

Publication number: CN107755911A
Application number: CN201710810512.8A
Authority: CN
Inventors: 吴宜灿; 黄群英; 毛小东; 刘少军; 吴庆生
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2018-03-06

Abstract

本发明涉及一种用于氧化物弥散强化钢固相焊接的方法，属于金属材料焊接加工技术领域。本发明所述方法，先对待焊接表面进行还原处理以除去表面吸附的有害气体，再进行焊接，从而显著降低待焊接面的硬度，降低焊接面的开裂倾向，同时保证待焊接面不发生氧化；另外，通过控制还原性气体的流速和温度，实现待焊接面硬度的有效控制，提高固相扩散焊接接头的强度和韧性，同时降低待焊接面加工精度要求，降低焊接成本。本发明所述方法适用于规则及非规则焊接面焊接，可以广泛应用于各种结构零部件的焊接，包括聚变堆中含内部流道的第一壁包层结构，提高反应堆系统的安全性。

Description

一种用于氧化物弥散强化钢固相焊接的方法

技术领域

本发明涉及一种用于氧化物弥散强化钢固相焊接的方法，属于金属材料焊接加工技术领域。

背景技术

核能是一种“清洁、持久”能源，是我国十三五期间重点发展的绿色能源之一。第四代裂变堆及聚变堆是先进核能系统的发展方向，也是目前的研究重点。相比于三代压水堆低于350℃的运行温度，四代堆及聚变堆核心部件运行温度高达500℃以上，对结构材料提出了严峻挑战。氧化物弥散强化钢具有高强度、抗辐照、长寿命的特点，被认为是新型核能系统核燃料包壳或包层的主要候选结构材料之一。

焊接问题是制约氧化物弥散强化钢广泛应用的关键问题之一。采用传统的熔焊方式，则纳米氧化物由于密度较钢基体轻而在焊接过程中上浮聚集长大，严重破坏焊接件的性能。现有固相焊接技术中，搅拌摩擦焊是一种实现不同熔点异种金属固相焊接的良好工艺，如专利CN104923911A(中国)、JP2012060885(日本)和US88705610(美国)所述。然而，搅拌摩擦焊适合于形状简单规则的样品(如板材)，对于核反应堆内部的复杂构件缺乏良好的工艺适应性。固相扩散焊接是一种具有良好核反应堆结构件焊接应用前景的技术，可以实现反应堆复杂构件的良好焊接，如专利104781033A(中国)、104439678A(中国)所述的技术方案。然而，目前的固相扩散焊接技术采用真空的方式进行表面除气，焊接接头性能较差且对待焊接面加工精度要求高。

发明内容

针对氧化物弥散强化钢与其他金属材料难以焊接的问题，本发明的目的在于提供一种用于氧化物弥散强化钢固相焊接的方法，先对待焊接面的表面进行还原处理，再进行焊接，从而降低待焊接面表面硬度、减少焊接面缺陷、提高焊接面强度和焊接件整体一致性、降低成本。

本发明的目是通过以下技术方案实现的：

一种用于氧化物弥散强化钢固相焊接的方法，所述方法的具体步骤包括：

步骤1.对氧化物弥散强化钢与其他金属材料部件之间的焊接面分别进行粗糙化处理，表面粗糙度(Ra)低于3μm；

步骤2.先将粗糙化处理后的氧化物弥散强化钢以及其他金属材料部件进行超声波清洗，再置于通入流动气体的密闭容器中，在200℃～1200℃下进行表面还原处理5min～10h；

所述流动气体为还原性气体，或还原性气体与惰性气体的混合气体；还原性气体优选H₂、CO或CH₄，惰性气体优选氦气或氩气；若为混合气体，混合气体中还原性气体的体积分数不低于5％。

步骤3.将还原处理后的氧化物弥散强化钢以及其他金属材料部件置于电子束焊机真空室中除去焊接面之间的残留气体，真空度大于1Pa时，对待焊接面进行外围电子束焊接固定及密封；

步骤4.将通过电子束焊接固定及密封后的氧化物弥散强化钢以及其他金属材料部件进行热等静压扩散焊接，得到氧化物弥散强化钢与其他金属材料部件的复合构件。

所述热等静压扩散焊接的参数为：压力为50MPa～200MPa，温度为850℃～1200℃，时间为1h～50h。

根据需要，对所得到的氧化物弥散强化钢与其他金属材料部件的复合构件进行热处理、弯曲变形或表面机加工。

有益效果：

本发明中的表面还原处理技术可以去除表面吸附的有害气体，显著降低氧化物弥散强化钢待焊接面的硬度，降低焊接面的开裂倾向，同时保证待焊接面表面不发生氧化。可通过控制还原性气体的流速和温度，实现氧化物弥散强化钢表面硬度的有效控制，用于提高固相扩散焊接接头的强度和韧性，同时降低待焊接面加工精度要求，降低焊接成本。通过本发明所述方法进行氧化物弥散强化钢的异种金属焊接，可以有效保护氧化物弥散强化钢中的纳米第二相粒子，使焊接接头具有与基体合金相当的优良性能。本发明适用于核反应堆复杂构件的焊接，适用于规则及非规则焊接面焊接，可以广泛应用于各种结构零部件的焊接，包括聚变堆中含内部流道的第一壁包层结构，提高反应堆系统的安全性。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

实施例1

用于外立面聚变堆包层的构件，由中国低活化马氏体钢(CLAM)底座与氧化物弥散强化低活化钢(CLAM-ODS)薄板焊接而成；

采用CLAM钢制成含有内部流道的包层底座，以CLAM底座的总质量为100％计，CLAM底座中的各组成成分及其质量分数如下：C 0.08％，Cr 9.0％，W 1.5％，Mn 0.35％，V0.18％，Ta 0.15％，N 0.007％，P≤0.02％，S≤0.01％，余量为Fe；

以CLAM-ODS钢薄板的总质量为100％计，CLAM-ODS钢薄板中的各组成成分及其质量分数如下：C 0.08％，Cr 9.0％，W 1.5％，Mn 0.35％，V 0.18％，Ta 0.15％，N 0.007％，P≤0.02％，S≤0.01％，Y₂O₃ 0.3％，余量为Fe；

具体焊接步骤如下：

步骤1.分别对待焊接的CLAM底座表面、CLAM-ODS钢薄板表面进行粗糙化处理，由低到高依次采用#400、#800、#1500、#2400的金相砂纸进行分步研磨处理，使待焊接表面粗糙度为2.7μm；

步骤2.先将粗糙化处理后的CLAM底座以及CLAM-ODS钢薄板进行超声波清洗，再置于通入氢气与氩气混合气体(体积比为V_H2:V_Ar＝1:19)的管式还原炉中，在500℃下进行表面还原处理20min，除去表面吸附的O₂、H₂O以及CO₂；

步骤3.将还原处理后的CLAM-ODS钢薄板紧密贴合到CLAM底座表面，并置于电子束焊机真空室中除去CLAM-ODS钢薄板与CLAM底座焊接面之间的残留气体，真空度大于1Pa时，对待焊接面四周进行外围电子束焊接固定及密封；

步骤4.将通过电子束焊接固定及密封后的CLAM-ODS钢薄板与CLAM底座置于热等静压机中，在150MPa的压力以及1150℃的温度下进行热等静压扩散焊接10h，得到CLAM-ODS钢薄板与CLAM底座的复合构件；

步骤5.先将CLAM-ODS钢薄板与CLAM底座的复合构件在950℃下淬火处理40min，再在760℃下回火处理80min，得到回火马氏体组织构件，即用于外立面聚变堆包层的构件。

对焊接面进行透射电子显微镜分析发现，接头界面处CLAM-ODS钢薄板一侧纳米氧化物为Y₂Ti₂O₇，尺寸为5nm～10nm，数密度为～2×10²³m^-3，与焊接前相比，焊接后没有发生纳米氧化物的粗化长大或团簇聚集；接头拉伸测试表明，所有样品均在CLAM钢薄板一侧发生断裂，接头未发生断裂。以上测试结果表明，本发明所述的焊接方法可在有效保护纳米氧化物弥散分布的前提下，实现CLAM钢底座与CLAM-ODS钢薄板的良好焊接，焊接接头性能良好。

实施例2

氧化物弥散强化铁素体钢(12Cr ODS)核燃料包壳管与奥氏体不锈钢(316L)底座之间的焊接，

采用12Cr ODS钢制成管厚0.8mm、长100mm、外径10mm的12Cr ODS钢包壳管；以所述12Cr ODS钢包壳管的总质量为100％计，12Cr ODS钢包壳管中的各组成成分及其质量分数如下：C 0.08％，Cr 12.0％，W 1.5％，Ti 0.25％，N 0.007％，P≤0.02％，S≤0.01％，Y₂O₃0.3％，余量为Fe；

采用316L不锈钢制成含有包壳插槽的316L不锈钢底座，且包壳插槽内径10mm；以所述316L不锈钢底座的总质量为100％计，316L不锈钢底座中的各组成成分及其质量分数如下：C 0.02％，Cr 16.0％，Ni 12.0％，Mo 2.2％，Ti 0.25％，N 0.01％，P≤0.02％，S≤0.01％，Y₂O₃ 0.3％，余量为Fe；

具体焊接步骤如下：

步骤1.分别对待焊接的316L不锈钢底座的插槽内表面、12Cr ODS钢包壳管的外表面进行粗糙化处理，由低到高依次采用#400、#800、#1500、#2400、#4000的金相砂纸进行分步研磨处理，使待焊接表面粗糙度为1.5μm；

步骤2.先将粗糙化处理后的316L不锈钢底座以及12Cr ODS钢包壳管进行超声波清洗，再置于通入CO与氩气混合气体(体积比V_CO:V_Ar＝1:9)的管式还原炉中，在550℃下进行表面还原处理1h，除去表面吸附的O₂、H₂O以及CO₂；

步骤3.将还原处理后的12Cr ODS钢包壳管插入到316L不锈钢底座的插槽内，并置于电子束焊机真空室中除去12Cr ODS钢包壳管与316L不锈钢底座焊接面之间的残留气体，真空度大于1Pa时，对待焊接面四周进行外围电子束焊接固定及密封；

步骤4.将通过电子束焊接固定及密封后的12Cr ODS钢包壳管与316L不锈钢底座置于热等静压机中，在180MPa的压力以及1200℃的温度下进行热等静压扩散焊接5h，得到12Cr ODS钢包壳管与316L不锈钢底座的复合构件。

对焊接面进行透射电镜分析发现，接头界面处12Cr ODS钢包壳管一侧纳米氧化物为Y₂Ti₂O₇，颗粒平均尺寸为(6.7±0.2)nm，数密度为～2.3×10²³m^-3，与焊接前相比，焊接后没有发生纳米氧化物的粗化长大或团簇聚集，避免了因传统熔焊过程中氧化物上浮聚集造成的焊接接头性能下降问题；接头拉伸测试表明，所有样品均在316L不锈钢底座一侧发生断裂，接头未发生断裂。以上测试结果表明，本发明所述的焊接方法可在有效保护纳米氧化物弥散分布的前提下，实现12Cr ODS钢包壳管与316L不锈钢底座的良好焊接，焊接接头性能良好。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于氧化物弥散强化钢固相焊接的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤包括：

步骤1.对氧化物弥散强化钢与其他金属材料部件之间的焊接面分别进行粗糙化处理，表面粗糙度低于3μm；

步骤3.将还原处理后的氧化物弥散强化钢以及其他金属材料部件置于电子束焊机真空室中，真空度大于1Pa时，对待焊接面进行外围电子束焊接固定及密封；

步骤4.将通过电子束焊接固定及密封后的氧化物弥散强化钢以及其他金属材料部件进行热等静压扩散焊接，得到氧化物弥散强化钢与其他金属材料部件的复合构件；

其中，所述流动气体为还原性气体，或还原性气体与惰性气体的混合气体；且所述流动气体为还原性气体与惰性气体的混合气体时，还原性气体的体积分数不低于5％。

2.根据权利要求1所述的一种用于氧化物弥散强化钢固相焊接的方法，其特征在于：还原性气体为H₂、CO或CH₄。

3.根据权利要求1所述的一种用于氧化物弥散强化钢固相焊接的方法，其特征在于：所述惰性气体为氦气或氩气。

4.根据权利要求1所述的一种用于氧化物弥散强化钢固相焊接的方法，其特征在于：所述热等静压扩散焊接的参数为：压力为50MPa～200MPa，温度为850℃～1200℃，时间为1h～50h。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种用于氧化物弥散强化钢固相焊接的方法，其特征在于：根据需要，对步骤4所得到的氧化物弥散强化钢与其他金属材料部件的复合构件进行热处理、弯曲变形处理或表面机加工处理。