CN115106679A - 一种耐液态铅（铅铋）腐蚀的铁素体-马氏体钢焊丝及其应用 - Google Patents

一种耐液态铅（铅铋）腐蚀的铁素体-马氏体钢焊丝及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐液态铅（铅铋）腐蚀的铁素体‑马氏体钢焊丝及其应用，属于金属焊材技术领域。按重量百分比计，该焊丝化学成分为：C：0.06%‑0.15%、Cr：8.0%‑12.0%、Si：0.55%‑1.50%、Ni≤1.5%、Mo：0.4%‑1.4%、N：0.02%‑0.10%、Nb：0.02%‑0.15%、V：0.10%‑0.30%、Mn：0.50%‑2.00%、Cu≤0.08%、Co≤0.06%、P≤0.02%、S≤0.02%、余量为铁及不可避免的杂质。本发明焊丝适用于液态铅（铅铋）冷却快堆铁素体‑马氏体钢部件的焊接，焊接过程，飞溅小，过程稳定，工艺性能好。采用本发明耐液态铅铋腐蚀铁素体‑马氏体钢焊丝焊接后可获得符合液态铅铋冷却快堆性能要求的焊缝。

Description

一种耐液态铅（铅铋）腐蚀的铁素体-马氏体钢焊丝及其应用
技术领域
本发明涉及金属焊接材料技术领域，具体涉及一种耐液态铅（铅铋）腐蚀的铁素体-马氏体钢焊丝及其应用，该焊丝应用于液态铅铋冷却快堆的焊接。
背景技术
铅铋冷却快堆因具有核燃料增殖和核废料嬗变能力，易于实现小型化以及较高的安全性而成为世界各国重点发展的下一代核能系统，铅铋冷却快堆的突出优势源于其冷却剂的基本属性，液态铅铋合金作为冷却液，不会与空气、水或蒸汽产生爆炸性反应，且常压下沸点很高（1670℃），不需要额外增压来防止局部沸腾；另一方面，铅的化学惰性使得铅铋冷却快堆无需安装中间回路系统就可将一次冷却剂与二次冷却剂（水）隔离，以上都极大得简化了安全措施，同时带来了较高的经济性，然而以液态铅铋作为冷却剂将会对反应堆部件的抗腐蚀性提出挑战，材料中的Ni、Cr、Fe等元素均不同程度溶解于铅铋，会造成管道堵塞或部件破裂失效，如果腐蚀问题得不到解决，铅铋冷却快堆很难大规模推广应用。铅铋冷却快堆是由不同部件（如堆容器、堆内构件、蒸汽发生器等）焊接而成，焊接接头是整个结构的重要环节，在铅铋冷却快堆中，焊接接头即要承受铅铋腐蚀的影响，又要承受高温、高辐照对材料的恶化作用，基于上述因素的考虑，工程设计对铅铋冷却快堆堆内关键部件用焊接材料的性能提出了较高的要求，以保证快堆安全可靠运行。
铁素体-马氏体钢是核设备用钢的候选材料，铁素体-马氏体耐热钢开发于上世纪30年代，首先应用于石化行业、燃气轮机领域，之后在火电领域得到大量应用，已开发的火电用铁素体-马氏体钢配套焊材如表1所示，目前火电用铁素体-马氏体钢焊材均不适合于在铅铋冷却快堆环境中使用，一方面火电用铁素体-马氏体钢在液态铅铋中表现为均匀溶解，无法形成任何保护层，这也正是全世界铅铋快堆用结构材料研究面临的技术难题，另一方面部分火电用铁素体-马氏体钢焊材通过加入Co元素减缓元素扩散和固溶强化来提高钢的高温性能，降低M23C6长大速率，延缓马氏体在高温回火时的回复从而提高高温蠕变强度，另外加入Cu来提高钢的强度和韧性以及耐大气腐蚀性能。但是包含Co和Cu的材料在核电领域中应用有明显的有害作用，Co由于其中子吸收截面大，易导致含Co材料在中子辐照条件下失效，而且Co的放射性同位素60Co半衰期长达5.26年，其影响将随反应堆运行时间的增加而日益增强，不但给堆内设备、构件带来放射性，更使一回路系统的管线、泵、阀门等设备均带有放射性，这将给核反应堆设备构件的维修和废物处理带来诸多困难，甚至还可能危害人身安全，而含Cu钢在辐照作用下会形成富Cu沉淀相，其是造成核电用钢脆化的一种主要机制，应严格限制核电用钢中Co和Cu的含量，因此现有的火电用铁素体-马氏体钢焊材均无法在铅铋快堆中使用。目前关于核电用铁素体-马氏体钢焊材的报道还比较少。已有报道的铁素体-马氏体钢焊丝，其是在P91焊材的基础上采用低活化元素W、V、Ta代替Mo、Ni、Nb，通过微合金化的作用获得了较高的焊缝冲击性能，但并未考虑材料的耐铅铋腐蚀性能，因此无法用于液态铅铋冷却快堆部件的焊接制造。
表 1 已开发的火电用铁素体-马氏体钢配套焊材
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目前世界范围内针对耐铅铋腐蚀环境下专用的铁素体-马氏体钢焊材的研究还比较少，铅铋快堆用焊材设计不能照搬火电或其它类核电用焊材成分，应针对铅铋快堆服役环境特征设计专用的铁素体-马氏体焊材。目前为保证我国铅铋冷却快堆建设进度，研制拥有自主知识产权、适用于我国铅铋冷却快堆技术参数的高端耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊材，是急需解决的问题。
发明内容
为解决国内现有耐热钢焊丝中还未有经过认证能用于液态铅铋冷却快堆的焊丝，以及现有焊丝均无法满足铅铋冷却快堆性能要求等问题，本发明的目的在于提供一种耐液态铅（铅铋）腐蚀的铁素体-马氏体钢焊丝，该焊丝适用于液态铅铋冷却快堆中关键结构部件的焊接。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种耐液态铅（铅铋）腐蚀的铁素体-马氏体钢焊丝，按重量百分比计，该焊丝的化学成分如下：
C：0.06%-0.15%、Cr：8.0%-12.0%、Si：0.55%-1.50%、Ni≤1.5%、Mo：0.4%-1.4%、N：0.02%-0.10%、Nb：0.02%-0.15%、V：0.10%-0.30%、Mn：0.50%-2.00%、Cu≤0.08%、Co≤0.06%、；余量为铁及不可避免的杂质。该焊丝化学成分中：P≤0.02%、S≤0.02%。
进一步地所述焊丝中C含量按重量百分比计，优选0.07-0.09%，或者0.08%-0.10%，或者0.09%-0.12%，或者0.11%-0.13%，或者0.12%-0.15%。
进一步地所述焊丝中Cr含量按重量百分比计，优选8.0%-9.0%，或者9.0%-10.5%，或者10%-12%。
进一步地所述焊丝中Si含量按重量百分比计，优选0.55%-0.8%，或者0.8%-1.1%，或者1.05%-1.2%，或者1.2%-1.5%。
进一步地所述焊丝中Ni含量按重量百分比计，优选≤0.5%，或者≤0.3%，或者≤0.1%，或者0.3%-0.6%，或者0.5%-0.8%，或者0.8%-1.2%，或者1.2%-1.5%。
进一步地所述焊丝中Mo含量按重量百分比计，优选0.4%-0.8%，或者0.7%-0.9%，或者0.8%-1.2%，或者1.0%-1.4%。
进一步地所述焊丝中N含量按重量百分比计，优选0.02%-0.05%，或者0.04%-0.065%，或者0.06%-0.10%。
进一步地所述焊丝中Nb含量按重量百分比计，优选0.02%-0.05%，或者0.04%-0.08%，或者0.08%-0.12%，或者0.11%-0.15%。
进一步地所述焊丝中V含量按重量百分比计，优选0.10%-0.18%，或者0.17%-0.23%，或者0.22%-0.30%。
进一步地所述焊丝中Mn含量按重量百分比计，优选0.5%-1.0%，或者0.8%-1.1%，或者1.0%-1.4%，或者1.3%-1.6%，或者1.5%-2.0%。
进一步地所述焊丝中Cu含量按重量百分比计，优选Cu≤0.04%，或者Cu≤0.02%，或者Cu≤0.01%。
进一步地所述焊丝中Co含量按重量百分比计，优选Co≤0.03%，或者Co≤0.02%，或者Co≤0.01%。
进一步地所述焊丝中P含量按重量百分比计，优选P≤0.01%，或者P≤0.005%。
进一步地所述焊丝中S含量按重量百分比计，优选S≤0.01%，或者S≤0.005%。
确定上述化学成分的理由如下：
C、N 是奥氏体形成元素，可以抑制δ铁素体的形成，在耐热钢中δ铁素体为有害组织，将恶化铁素体-马氏体钢焊缝金属的冲击韧性和抗高温蠕变性能。C、N元素还可与V和Nb形成碳化物，有助于提高铁素体-马氏体钢焊缝的高温强度和稳定组织。C、N元素含量过低会使得材料的热强性变差，高温强度降低。C、N含量过高会导致碳化物沉淀相过量且会显著硬化熔敷金属，降低冲击韧性。C元素含量还与含 Cr 的碳化物的粗化有关，当 C 含量过高时蠕变强度往往会降低，通过增加N元素含量降低C含量有利于提高其蠕变强度。另一方面N含量过高会形成Z相恶化持久性能，因此C、N含量应合理配置，一般铁素体-马氏体钢焊丝设计应该设定C、N元素含量的上下限。本申请中C：0.06wt.%-0.15 wt.%，优选0.07wt.%-0.09wt.%或者0.08wt.%-0.10wt.%或者0.09wt.%-0.12wt.%或者0.11wt.%-0.13wt.%或者0.12wt.%-0.15wt.%；N：0.02wt.%-0.10wt.%，优选0.02wt.%-0.05wt.%或者0.04wt.%-0.065wt.%或者0.06 wt.%-0.10wt.%。
Si是一种焊缝金属的脱氧剂，能够一定程度上保证焊缝金属的低温冲击韧性，同时还能一定程度地提高熔敷金属的强度，当Mn元素和Si元素的比例合适时，其脱氧效果达到最佳状态，能够极大程度地提高熔敷金属的综合力学性能，但Si和Mn过多会促进P的偏聚，加大焊缝金属回火脆性敏感度，而且Si含量过高还急剧增加在焊接和热脆化过程中形成热裂纹的趋势，此外，Si倾向于向位错和晶界处优先偏析，因此在辐照环境下过量的Si易引起辐照脆化，或者导致富硅相析出，Si可通过提高基体金属的电极电位，减少微电池数目，有效地提高钢的耐蚀性，Si可提高钢的钝化能力并在钢的表面形成一层致密的氧化膜，提高钢的耐蚀性，Si和Cr的共同作用将进一步提高氧化膜的致密性，这一点在铅铋腐蚀环境下提高铁素体-马氏体钢的耐蚀性至关重要，但Si过高会促进高温δ铁素体形成，恶化焊缝性能，因此通过增加Si含量保证铁素体-马氏体钢耐铅铋腐蚀性能的同时，应相应增加奥氏体化元素含量（如Mn），以避免δ铁素体形成。因此应合理设定耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊材中Si含量控制范围，本申请中Si：0.55wt.%-1.50wt.%，优选0.55wt.%-0.8wt.%或者0.8wt.%-1.1wt.%或者1.05wt.%-1.2wt.%或者1.2wt.%-1.5wt.%。
Mn是一种奥氏体化元素，在铁素体-马氏体钢中增加Mn含量可抑制高温δ铁素体的形成，但同时降低 A1 转变温度，降低铁素体基体的高温稳定性。当Mn含量过高时会出现Mn偏析，形成MnS缺陷，恶化性能，合适的Mn元素加入量，可以使材料在保证较高强度的同时还具有较高的低温冲击韧性，同时还有很强的抗裂性，因此Mn元素是不可缺少的合金元素之一，本申请中Mn：0.50wt.%-2.00wt.%，优选0.5wt.%-1.0wt.%或者0.8wt.%-1.1wt.%或者1.0wt.%-1.4wt.%或者1.3wt.%-1.6wt.%或者1.5wt.%-2.0wt.%。
Cr是铁素体-马氏体耐热钢抗高温氧化和腐蚀必不可少的元素之一，Cr可提高材料的抗氧化性和耐腐蚀性，Cr固溶于基体中起到固溶强化的作用，同时提高了耐热钢的淬透性，降低耐热钢的临界冷却速率，使其在较低的冷速下就可以得到全马氏体组织，但钢中Cr 元素含量过高，会促使高温δ铁素体形成以及导致相应碳化物析出相的粗化，从而带来不利影响。在耐热钢中，Cr通常与Mo复合应用，Cr能调节Mo在碳化物和固溶体之间的分配。实验表明，当钢中的Cr元素与Mo元素含量比合适时，才能促进富Cr碳化物的稳定，而抑制M2C碳化物形成，提高钢中Mo的固溶量，本申请中Cr：8.0wt.%-12.0wt.%，优选8.0wt.%-9.0wt.%或者9.0wt.%-10.5wt.%或者10wt.%-12wt.%。
Mo也是铁素体-马氏体耐热钢中重要的合金元素之一，其主要作用是提高钢的综合机械性能以及改善钢的回火稳定性，Mo是提高热强性的最重要的合金元素之一，耐热钢中一般都含有Mo，Mo溶于α铁素体，可强化铁素体，从而提高蠕变强度，Mo同时能以细小的碳化物的形式产生弥散强化，Mo还能改善钢的回火稳定性，减弱或消除含Cr钢的回火脆性，本申请中Mo：0.4wt.%-1.4wt.%，优选0.4wt.%-0.8wt.%，或者0.7wt.%-0.9wt.%，或者0.8wt.%-1.2wt.%，或者1.0wt.%-1.4wt.%。
Ni是一种奥氏体化元素，与Mn相似，在铁素体-马氏体钢中增加Ni含量可抑制高温δ铁素体的形成，但同时降低 A1 转变温度，降低铁素体基体的高温稳定性。Ni含量增加可改善韧性，但降低碳氮化物的稳定性，使析出相加速粗化，降低回火抗力（回火稳定性，耐回火性），导致蠕变性能恶化，在铅铋环境下，Ni会发生溶解，对铁素体-马氏体钢耐铅铋腐蚀性能不利，此外，在辐照影响下，Ni也是引起氦形成的重要来源，本申请中Ni≤1.5wt.%，优选≤0.5wt.%，或者≤0.3wt.%，或者≤0.1wt.%，或者0.3wt.%-0.6wt.%，或者0.5wt.%-0.8wt.%，或者0.8wt.%-1.2wt.%，或者1.2wt.%-1.5wt.%。
V和Nb在铁素体-马氏体钢中的作用主要是通过适当的热处理生成细小且均匀分布的碳化物颗粒使钢得以强化。在铁素体-马氏体耐热钢中，由于V的碳化物十分稳定，将C固定而促使Cr、Mo等合金元素更多的溶入基体，间接起到了促进固溶强化的作用。Nb可提高钢的高温强度和抗蠕变强度，但对焊缝的塑性和低温韧性有害，应控制其在焊缝中的含量以保证既能提高强度，又能获得良好的塑性与韧性。V和Nb组成的析出相的形成是相互关联的，因此Nb、V组合添加的效果更明显。本申请中V：0.10wt.%-0.30wt.%，优选0.10wt.%-0.18wt.%，或者0.17wt.%-0.23wt.%，或者0.22wt.%-0.30wt.%；Nb：0.02wt.%-0.15wt.%，优选0.02wt.%-0.05wt.%，或者0.04wt.%-0.08wt.%，或者0.08wt.%-0.12wt.%，或者0.11wt.%-0.15wt.%。
S和P为钢中的有害杂质，大多是炼钢时原材料带进去的，应尽量减少。在焊接过程中，由于坡口清理不干净，也会导致S含量增加。P含量过多将增加冷裂倾向，S含量过多将增加热裂倾向，因此，在焊丝化学成分中应严格控制S、P元素含量。本申请中S≤0.02wt.%，优选S≤0.01wt.%，或者S≤0.005wt.%；P≤0.02wt.%，优选P≤0.01wt.%，或者P≤0.005wt.%。
Co由于其中子吸收截面大，易导致含Co材料在中子辐照条件下失效，而且Co的放射性同位素60Co半衰期长达5.26年，其影响将随反应堆运行时间的增加而日益增强，不但给堆内设备、构件带来放射性，更使一回路系统的管线、泵、阀门等设备均带有放射性，这将给核反应堆设备构件的维修和废物处理带来诸多困难，甚至还可能危害人身安全，因此应对Co含量进行严格限制，本申请中Co≤0.06wt.%，优选Co≤0.03wt.%，或者Co≤0.02wt.%，或者Co≤0.01wt.%。
Cu在辐照作用下会形成富Cu沉淀相，其是造成核电用钢脆化的一种主要机制，因此应对Cu含量进行严格限制，本申请中Cu≤0.08wt.%，优选Cu≤0.04wt.%，或者Cu≤0.02wt.%，或者Cu≤0.01wt.%。
本发明耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢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范围的要求即可。
本发明焊丝应用于液态铅铋冷却快堆部件的焊接，焊接过程为：取规格为直径1.2mm焊丝，采用TIG焊，接头形式为对接，焊接参数为：焊接电流150A -240A，电弧电压10V-17V，采用直流正接方式，焊接速度0.06m/min -0.15m/min，电弧保护采用纯度大于等于99.995%的高纯度氩气，氩气流量12 L/min -30L/min；以多层多道的熔敷方法焊接试件，焊前预热温度和焊接过程中的层间温度为150℃~260℃，焊后在750℃进行退火热处理，退火热处理时间2h。
本发明焊缝金属室温拉伸性能要求为：屈服强度Rp0.2大于等于400MPa，抗拉强度Rm大于等于600MPa，伸长率大于等于16%；0℃冲击功KV2大于等于47J；焊缝金属高温拉伸性能要求：550℃：Rp0.2大于等于294MPa，Rm大于等于392MPa；饱和氧条件下焊缝金属耐液态铅铋腐蚀性能要求：在550℃、3000h条件下，氧化膜厚度小于等于40μm。
本发明具有以下优点：
1、本发明的耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝具有低的热膨胀系数、高的热导率（可降低部件由热疲劳引起的应力）、优秀的抗辐照肿胀性能而可用于铅铋冷却快堆堆芯组件外套管/格架、蒸汽发生器管板和换热管等。针对特殊的服役环境，焊丝中添加了较高的Si含量（0.55wt.%-1.50wt.%），焊缝在高温服役过程中Si将与液态铅铋中的溶解氧结合，在焊缝表面形成耐腐蚀硅氧化物层，有效隔离液态铅铋，保证了焊缝长期服役过程中的耐铅铋腐蚀能力，饱和氧条件下焊缝金属内Si含量增加可明显提高焊缝金属的耐液态铅铋腐蚀性能，如图2所示。经实验验证，本发明耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝具有耐液态铅铋腐蚀性能，适用于液态铅铋冷却快堆部件的焊接制造。本发明焊丝中添加了8.0wt.%-12.0wt.%的Cr，即通过固溶强化作用提高焊缝强度，又提高了耐热钢的淬透性，获得全马氏体组织，同时可与Si共同作用进一步提高氧化膜的致密性，对铅铋腐蚀环境下提高铁素体-马氏体钢焊缝的耐铅铋腐蚀性至关重要。
2、本发明在焊丝组成和配比中充分考虑到铅铋冷却快堆中焊缝金属既要承受铅铋腐蚀的影响，又要承受高温、高辐照对材料的恶化作用的特殊性，除Si和Cr的含量进行严格把控外，对Ni，C，Nb和Mn的含量也进行精确控制：通过限制焊丝中的Ni含量低于1.5wt.%，能够有效防止在铅铋环境下，焊缝中的Ni会发生溶解，提高铁素体-马氏体钢焊缝耐铅铋腐蚀性能，同时限制Ni含量抑制了长期高温服役过程中碳化物粗化，提高了焊缝的蠕变性能。本发明焊丝中添加了0.06wt.%-0.15wt.%的C，保证了焊缝的高温强度，同时抑制了δ铁素体的形成及长期高温服役焊缝内碳化物的粗化导致的蠕变性能的恶化。本发明焊丝中添加了含量范围在0.02wt.%-0.12wt.%的Nb，通过焊后热处理形成细小且均匀分布的碳化物颗粒使焊缝得到强化。本发明焊丝通过提高Mn含量到0.50wt.%-2.00wt.%，抑制了Si含量增加导致的高温δ铁素体的形成倾向，改善焊缝的冲击韧性和抗高温蠕变性能。
此外，本发明焊丝不添加Co和Cu，并通过限制杂质态的Co含量低于0.06wt.%，降低长寿放射性同位素60Co的产生，以及通过限制杂质态的Cu含量低于0.08wt.%，抑制焊缝金属辐照脆化。
3、本发明耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝为实心焊丝，在惰性气体保护下焊接时可有效防止焊缝氧化，降低焊缝中的夹杂物，提高焊缝质量，有效避免了铁素体-马氏体钢焊条、药芯焊丝焊接过程中熔渣对焊缝的污染和焊缝质量的降低。实验表明，利用本发明耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝结合本发明所限定的焊接工艺进行焊接时，飞溅小，过程稳定，工艺性能好；并且能够得到符合要求性能的焊缝金属，尤其具有较好耐铅铋腐蚀性能。
4、实验表明，本发明耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的焊缝金属符合如下性能要求：焊缝金属室温性能要求：屈服强度Rp0.2大于等于400MPa，抗拉强度Rm大于等于600MPa，伸长率大于等于16%；0℃冲击功KV2大于等于47J；焊缝金属高温拉伸性能要求：550℃：Rp0.2大于等于294MPa，Rm大于等于392MPa；饱和氧条件下焊缝金属耐液态铅铋腐蚀性能要求：550℃、3000h条件下，氧化膜厚度小于等于40μm，具有优异的耐液态铅铋腐蚀的性能。
附图说明
图1为本发明焊接接头形式。
图2为饱和氧铅铋550℃、3000h条件下Si含量与氧化层厚度的关系。
具体实施方式
本发明中耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢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所限定的焊丝成分即可；此外，焊丝的整个冶炼生产过程及加工过程与普通的合金钢焊丝没有差异。
以直径1.2mm焊丝为例，采用多层多道TIG方法对直径1.2mm焊丝进行焊缝金属焊接制备，接头形式为对接，焊接参数为：焊接电流150 A -240A，电弧电压10 V -17V，采用直流正接方式，焊接速度0.06 m/min -0.15m/min，电弧保护采用纯度大于等于99.995%的高纯度氩气，氩气流量12 L/min -30L/min；焊前预热温度和焊接过程中的层间温度为150℃~260℃，焊后在750℃进行退火热处理，退火热处理时间2h。之后从焊缝金属上取样进行力学性能和耐液态铅铋腐蚀性能分析。当然，本申请的焊接工艺可以针对不同的焊丝直径进行具体焊接参数的调整。
实施例1：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.06％、Cr：8.77％、Si：0.79％、Ni：0.71％、Mo：0.84％、N：0.053％、Nb：0.093％、V：0.21％、Mn：1.30％、P：0.005％、S：0.0013％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例2：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.083％、Cr：8.78％、Si：1.11％、Ni：0.65％、Mo：0.85％、N：0.053％、Nb：0.095％、V：0.21％、Mn：1.29％、P：0.005％、S：0.0014％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例3：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.15％、Cr：8.85％、Si：1.15％、Ni：1.05％、Mo：0.85％、N：0.053％、Nb：0.098％、V：0.20％、Mn：1.29％、P：0.005％、S：0.0017％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例4：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.098％、Cr： 8.75％、Si：0.55％、Ni：1.03％、Mo：0.83％、N：0.053％、Nb：0.091％、V：0.23％、Mn：1.21％、P：0.005％、S：0.0017％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例5：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.090％、Cr：9.12％、Si：1.5％、Ni：0.75％、Mo：0.80％、N：0.052％、Nb：0.094％、V：0.21％、Mn：1.21％、P：0.005％、S：0.0013％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例6：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.079％、Cr： 8.76％、Si：1.08％、Ni：1.50％、Mo：0.91％、N：0.052％、Nb：0.095％、V：0.23％、Mn：1.20％、P：0.005％、S：0.001％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例7：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.081％、Cr： 8.96％、Si：1.11％、Ni：0.30％、Mo：0.91％、N：0.054％、Nb：0.090％、V：0.24％、Mn：1.21％、P：0.005％、S：0.0012％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例8：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.077％、Cr： 8.76％、Si：1.03％、Ni：0.10％、Mo：1.4％、N：0.050％、Nb：0.092％、V：0.21％、Mn：1.25％、P：0.005％、S：0.001％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例9：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.085％、Cr： 9.06％、Si：1.08％、Ni：1.06％、Mo：0.40％、N：0.056％、Nb：0.091％、V：0.20％、Mn：1.20％、P：0.005％、S：0.0013％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例10：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.083％、Cr： 9.01％、Si：1.09％、Ni：1.03％、Mo：0.90％、N：0.049％、Nb：0.02％、V：0.21％、Mn：1.20％、P：0.005％、S：0.0013％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例11：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.0898％、Cr： 8.92％、Si：1.01％、Ni：0.89％、Mo：0.93％、N：0.051％、Nb：0.15％、V：0.22％、Mn：1.17％、P：0.005％、S：0.001％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例12：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.087％、Cr： 8.97％、Si：1.12％、Ni：0.72％、Mo：0.96％、N：0.10％、Nb：0.089％、V：0.22％、Mn：1.21％、P：0.005％、S：0.0012％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例13：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.084％、Cr：8.89％、Si：1.02％、Ni：0.65％、Mo：0.92％、N：0.02％、Nb：0.099％、V：0.22％、Mn：1.10％、P：0.005％、S：0.0015％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例14：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.084％、Cr：8.89％、Si：1.02％、Ni：0.65％、Mo：0.92％、N：0.52％、Nb：0.089％、V：0.10％、Mn：1.18％、P：0.005％、S：0.0013％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例15：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.088％、Cr：9.02％、Si：1.11％、Ni：0.39％、Mo：0.99％、N：0.54％、Nb：0.084％、V：0.30％、Mn：1.20％、P：0.005％、S：0.0013％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例16：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.089％、Cr：8.90％、Si：1.11％、Ni：0.45％、Mo：0.89％、N：0.058％、Nb：0.092％、V：0.22％、Mn：2.0％、P：0.005％、S：0.0015％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
实施例17：
该耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.087％、Cr：8.99％、Si：1.08％、Ni：0.65％、Mo：0.82％、N：0.059％、Nb：0.089％、V：0.20％、Mn：0.50％、P：0.005％、S：0.0016％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
比较例1：
铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.088％、Cr： 8.84％、Si：0.36％、Ni：1.05％、Mo：0.85％、N：0.054％、Nb：0.095％、V：0.22％、Mn：1.28％、P：0.005％、S：0.0017％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
比较例2：
铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.080％、Cr： 8.75％、Si：1.68％、Ni：1.04％、Mo：0.84％、N：0.051％、Nb：0.093％、V：0.21％、Mn：1.28％、P：0.005％、S：0.0013％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
比较例3：
铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.19％、Cr： 8.82％、Si：1.10％、Ni：0.64％、Mo：0.85％、N：0.052％、Nb：0.094％、V：0.21％、Mn：1.27％、P：0.005％、S：0.0014％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
比较例4：
铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.048％、Cr： 8.92％、Si：1.07％、Ni：0.73％、Mo：0.91％、N：0.054％、Nb：0.089％、V：0.22％、Mn：1.21％、P：0.005％、S：0.0014％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
比较例5：
铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.084％、Cr： 6.45％、Si：1.16％、Ni：0.74％、Mo：0.89％、N：0.051％、Nb：0.091％、V：0.23％、Mn：1.17％、P：0.005％、S：0.0013％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
比较例6：
铁素体-马氏体钢焊丝的化学成分为（重量比）：
C：0.081％、Cr： 9.04％、Si：1.13％、Ni：0.31％、Mo：0.86％、N：0.049％、Nb：0.088％、V：0.22％、Mn：0.25％、P：0.005％、S：0.0013％、Co<0.01%、Cu<0.01%，其余成分为铁及不可避免的杂质。
表2 实施例和比较例的室温拉伸及0℃冲击性能测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表3 实施例和比较例的550℃拉伸性能测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表4 实施例和比较例的饱和氧条件下耐液态铅铋腐蚀性能（550℃、3000h）
实施例及试验项目 焊缝金属的氧化膜厚度h，μm
实施例1 29.25
实施例2 26.89
实施例3 26.72
实施例4 38.7
实施例5 21.04
实施例6 27.19
实施例7 27.16
实施例8 26.87
实施例9 27.06
实施例10 27.11
实施例11 27.96
实施例12 26.56
实施例13 27.64
实施例14 27.84
实施例15 26.21
实施例16 26.71
实施例17 27.84
比较例1 44.29
比较例2 19.12
比较例3 26.99
比较例4 27.03
比较例5 28.14
比较例6 26.82
以上实施例和比较例测试结果的焊接试验条件如表5所示，所用焊接接头形式如图1所示。
表5 焊接试验条件
工艺方法 焊丝规格(mm) 电流强度(A) 电弧电压(V) 电流种类/极性 焊接速度(m/min) 保护气体及流量（L/min）
TIG Φ1.2 180 12-14 DCEN 0.1 99.999%Ar，15
本发明对耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊丝的焊缝金属的性能设计要求是：
焊缝金属室温拉伸性能要求：屈服强度Rp0.2大于等于400MPa，抗拉强度Rm大于等于600MPa，伸长率大于等于16%；0℃冲击功KV2大于等于47J；焊缝金属高温拉伸性能要求：550℃：Rp0.2大于等于294MPa，Rm大于等于392MPa；饱和氧条件下焊缝金属耐液态铅铋腐蚀性能要求：在550℃、3000h条件下，氧化膜厚度小于等于40μm。
从实施例1-17、比较例1-6、表2-4可以看出：
采用本发明设计的焊丝化学成分，实施例1-17焊丝化学成分均在本发明技术方案范围内，焊缝金属满足本发明的性能设计要求。比较例1中，焊丝的Si含量为0.36wt.%，未在本发明技术方案的范围（Si：0.55wt.%-1.5wt.%）内，其饱和氧条件下焊缝金属液态铅铋腐蚀后（550℃、3000h）氧化层厚度为44.29μm，表面氧化膜厚度过厚，未满足本发明的设计要求（氧化膜厚度小于等于40μm）；比较例2中，焊丝的Si含量为1.68wt.%，未在本发明技术方案的范围（Si：0.55wt.%-1.5wt.%）内，其焊缝金属0℃冲击性能KV2为40J，未满足本发明的设计要求（0℃冲击功KV2大于等于47J）；比较例3中，焊丝的C含量为0.19wt.%，未在本发明技术方案的范围内（C：0.06wt.%-0.15wt.%），其焊缝金属0℃冲击性能KV2为38J，未满足本发明的设计要求（0℃冲击功KV2大于等于47J）。比较例4中，焊丝的C含量为0.048wt.%，未在本发明技术方案的范围内（C：0.06wt.%-0.15wt.%），其焊缝金属550℃抗拉强度Rm为382MPa，未满足本发明的设计要求（550℃抗拉强度Rm大于等于392MPa）。比较例5中，焊丝的Cr含量为6.45wt.%，未在本发明技术方案的范围内（Cr：8.0wt.%-12.0wt.%），其焊缝金属550℃抗拉强度Rm为389MPa，未满足本发明的设计要求（550℃抗拉强度Rm大于等于392MPa）。比较例6中，焊丝的Mn含量为0.25wt.%，未在本发明技术方案的范围内（Mn：0.50wt.%-2.00wt.%），其焊缝金属0℃冲击性能KV2为43J，未满足本发明的设计要求（0℃冲击功KV2大于等于47J）。

Claims (24)

1.一种耐液态铅（铅铋）腐蚀的铁素体-马氏体钢焊丝，其特征在于：按重量百分比计，该焊丝的化学成分如下：
C：0.06%-0.15%、Cr：8.0%-12.0%、Si：0.55%-1.50%、Ni≤1.5%、Mo：0.4%-1.4%、N：0.02%-0.10%、Nb：0.02%-0.15%、V：0.10%-0.30%、Mn：0.50%-2.00%、Cu≤0.08%、Co≤0.06%、P≤0.02%；S≤0.02%；余量为铁及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中C含量进一步设置为C：0.07%-0.09%，或者进一步设置为C：0.08%-0.10%，或者进一步设置为C：0.09%-0.12%。
3.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中C含量进一步设置为C：0.11%-0.13%，或者进一步设置为C：0.12%-0.15%。
4.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中Cr含量进一步设置为Cr：8.0%-9.0%，或者进一步设置为Cr：9.0%-10.5%，或者进一步设置为Cr：10%-12%。
5.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中Si含量进一步设置为Si：0.55%-0.8%，或者进一步设置为Si：0.8%-1.1%，或者进一步设置为Si：1.05%-1.2%，或者进一步设置为Si：1.2%-1.5%。
6.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中Ni含量进一步设置为Ni≤0.5%，或者进一步设置为Ni≤0.3%，或者进一步设置为Ni≤0.1%，或者进一步设置为Ni：0.3%-0.6%，或者进一步设置为Ni：0.5%-0.8%，或者进一步设置为Ni：0.8%-1.2%，或者进一步设置为1.2%-1.5%。
7.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中Mo含量进一步设置为：0.4%-0.8%，或者进一步设置为0.7%-0.9%，或者进一步设置为0.8%-1.2%，或者进一步设置为1.0%-1.4%。
8.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中N含量进一步设置为N：0.02%-0.05%，或者进一步设置为N：0.04%-0.065%，或者进一步设置为N：0.06%-0.10%。
9.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中Nb含量进一步设置为Nb：0.02%-0.05%，或者进一步设置为Nb：0.04%-0.08%，或者进一步设置为Nb：0.08%-0.12%，或者进一步设置为Nb：0.11%-0.15%。
10.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中V含量进一步设置为V：0.10%-0.18%，或者进一步设置为V：0.17%-0.23%，或者进一步设置为V：0.22%-0.30%。
11.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中Mn含量进一步设置为Mn：0.5%-1.0%，或者进一步设置为Mn：0.8%-1.1%，或者进一步设置为Mn：1.0%-1.4%，或者进一步设置为Mn：1.5%-2.0%。
12.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中Cu含量进一步设置为Cu≤0.04%，或者进一步设置为Cu≤0.02%，或者进一步设置为Cu≤0.01%。
13.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中Co含量进一步设置为Co≤0.03%，或者进一步设置为Co≤0.02%，或者进一步设置为Co≤0.01%。
14.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中P含量进一步设置为P≤0.01%，或者设置为P≤0.005%。
15.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，按重量百分比计，所述焊丝中S含量进一步设置为S≤0.01%，或者设置为S≤0.005%。
16.一种权利要求1-15所述的耐液态铅（铅铋）腐蚀的铁素体-马氏体钢焊丝的应用，其特征在于：将该焊丝应用于液态铅铋冷却快堆铁素体-马氏体钢的焊接。
17.一种采用权利要求1-15所述的耐液态铅（铅铋）腐蚀的铁素体-马氏体钢焊丝进行焊接的方法，其特征在于：焊丝焊接过程采用TIG焊，接头形式为对接，焊接电流150A -240A，电弧电压10V -17V，电流种类/极性为直流正接方式，焊接速度0.06m/min -0.15m/min。
18.根据权利要求17所述的焊接的方法，其特征在于：以多层多道的熔敷方法焊接试件，焊前预热温度和焊接过程中的层间温度150℃~260℃，焊后在750℃进行退火热处理，退火热处理时间2h。
19.根据权利要求17所述的焊接的方法，其特征在于：选取规格为直径1.2mm焊丝进行焊接过程。
20.根据权利要求17所述的焊接的方法，其特征在于：焊丝焊接过程中，电弧保护采用纯度大于等于99.995%的高纯度氩气，氩气流量12 L/min -30L/min。
21.根据权利要求17所述的焊接的方法，其特征在于：焊接后获得的焊缝金属的性能如下：
焊缝金属室温条件下性能为：屈服强度Rp0.2大于等于400MPa，抗拉强度Rm大于等于600MPa，伸长率大于等于16%。
22.根据权利要求17所述的焊接的方法，其特征在于：焊缝金属0℃冲击功KV2大于等于47J。
23.根据权利要求17所述的焊接的方法，其特征在于：焊缝金属高温拉伸性能为：550℃：Rp0.2大于等于294MPa，Rm大于等于392MPa。
24.根据权利要求17所述的焊接的方法，其特征在于：饱和氧条件下焊缝金属耐液态铅铋腐蚀性能为：在550℃、3000h条件下，氧化膜厚度小于等于40μm。
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