CN117226339A - 一种高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝及其制备方法 - Google Patents

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CN117226339A CN202210644334.7A CN202210644334A CN117226339A CN 117226339 A CN117226339 A CN 117226339A CN 202210644334 A CN202210644334 A CN 202210644334A CN 117226339 A CN117226339 A CN 117226339A
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徐长征
敖影
吴巍
吴静
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Abstract

本发明公开了一种高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝及其制备方法，通过设计合金成分以及配套适合的工艺，合理控制真空感应冶炼、电渣重熔、锻造、热轧和冷拉拔等工艺参数，可保证焊丝成分和组织的均匀性，使得高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝表面质量好，进一步保障了焊丝的焊接工艺性和焊接稳定性，使焊缝性能满足先进核能技术的焊接高要求。

Description

一种高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及特种合金冶炼和材料加工领域，更具体地说，涉及一种高温气冷堆 核电设备用镍合金焊丝及其制备方法，该高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝主要适 用于耐高温持久性能和抗高温蒸汽氧化性能要求的高温堆核岛关键零部件焊接。
背景技术
当前商用核电站以压水堆为主，其工作温度300～350℃，为了提高能量转化效率，国际上提出了四代堆概念，确定了包括快中子堆、超高温气冷堆、超临界水堆 等在内的六种候选技术，以模块式高温气冷堆技术为基础的超高温气冷堆是专家公 认近期最有希望实现的第四代先进核能系统技术之一。其中高温堆堆使用氦气冷 却，氦气的出口温度达到750℃，因此在如此严控的高温高压环境下，核岛主设备 使用了大量的耐高温材料；除了常见的304和316不锈钢之外，还使用了镍基材料 或者铁镍铬材料。如在蒸汽发生器中，高过热段的换热管材料、主蒸汽出口处的连 接管、主蒸管板选为800H镍基合金；换热组件的构件(包括中心筒、悬挂肋板、 换热管支撑构件、外筒等)、顶部的蒸汽发生器定位板材料、用于支撑顶部定位板 的固定筒材料、连接管的包裹材料以及支撑结构、高温顶部腔室热氦气遮流板以及 出口连接管的遮热筒均为625合金。由于使用大量的镍基合金，相应的也使用了大 量的镍基合金焊接材料。
高温堆设计寿命长，使用环境苛刻，其零部件长期在高温高压环境内使用，需 要材料有足够高的高温强度、持久强度和抗高温氧化性，同样也要求焊接材料675℃ 下105小时的高温持久强度≥55MPa，675℃、14.5MPa下的高温高压蒸汽氧化性能 为I级完全抗氧化性(氧化速度＜0.1g/m2.h)。因此，常规镍基合金焊接材料的高 温持久性能和高温高压抗氧化性能难以符合要求，材料本身的成分和制造工艺尚需 进一步设计。
目前国内、外的发展趋势主要是通过添加一定的合金元素来试图改善上述不 足，但提高合金高温持久强度和高温抗氧化性的元素往往不可兼得，有些元素能够 显著提升高温强度，但往往会损失高温抗氧化性，因此，如何达到两种性能均有效 提升成为技术难关。
现有技术中也有涉及对抗高温耐氧化性合金的研究，申请号201510050073.6 公开了一种抗高温氧化耐热铜镍基合金，可在高温800℃下稳定工作的合金，但该 合金为铜镍合金，以铜为主，镍为合金元素，与本申请方案的合金体系完全不同， 且持久性能不佳。申请号200810235501.2公开了一种核电用蒸汽发生器镍基合金， 其主要组成成份为Ni、Cr、Si、C、Mn、RE、Cu、Ti、Co、B和Fe，各组份的重 量百分比含量为：Ni：64.8-77.5％，Cr：14.0-19.5％，Si：0.20-0.80％，C：0.0495-0.100％， Mn：0.00-1.20％，RE：0.08-0.22％，Cu：0.00-0.50％，Ti：0.150-0.800％，Co： 0.00-0.10％，B：0-0.001％，Fe：7.0-12.0％，但该合金中含有一定量的Fe、且Cr 含量偏低，不利于抗高温氧化性能和高温强度，该专利中并没有公开高温性能。申 请号201310123158.3一种火电超超临界机组用主蒸汽管道公开了一种马氏体耐热 钢，其化学成分为:C 0.07～0.12、Si 0.15～0.50、Mn 0.30～0.55、Cr8.50～9.50、 Mo 0.30～0.60、Nb 0.05～0.09、V 0.15～0.25、W 1.50～2.00、B 0.0010～0.0060、 N 0.03～0.07、P≤0.015、S≤0.005、Altot≤0.01、O≤0.003,其余为Fe及不可避免的杂 质，该耐热钢是在Cr-Mo型合金结构钢的基础上，添加W、B、V、Nb、N等微合 金化元素而形成新型的马氏体耐热钢，该钢具有很好的抗氧化性,很强的耐腐蚀性, 优异的高温强度以及热物性参数，主要应用于火电超超临界机组用主蒸汽管道，但 该钢是一种Fe基材料，且未公开高温度阶段的持久性能和抗氧化性能，与本技术 方案中的镍基合金体系完全不同。申请号200910220453.4公开了一种高铬马氏体系 耐热钢及其制造方法，该钢的成分范围(重量百分比)是，C:0.07～0.10％、Cr:10.0～ 11.0％、Mo:0.3～0.5％、W:2.0～3.0％、Co:2.0～3.0％且0.8≤(Co含量/W含量)≤1.2、 Mn:0.3～0.5％、Si:0.2～0.4％、Ni:<0.5％、B:0.001～0.006％、Fe:余量，还含有0.03～ 0.10％的N，并复合添加0.15～0.25％的V和0.04～0.08％的Nb，从而获得高温下 同时具有高抗氧化性能和高蠕变性能的火电用高铬马氏体系耐热钢，同样的，该钢 也是一种Fe基材料，仅公开了600～650℃性能，在更高温度阶段的持久性能和抗 氧化性能达不到核电设计要求，与本技术方案中的镍基合金体系完全不同。由于上 述技术未能解决现有技术存在的问题，因此有必要有针对性的设计合金成分及配套 加工工艺，获得更优异的强塑性匹配，从源头上解决耐高温持久和抗氧化性能等问 题，以满足核电装备对镍基合金焊材的工艺性和熔敷金属的性能指标。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝及其制备方法，通过设计合金成分以及配套适合的工艺，合理控制 电渣重熔、锻造、热轧和拉拔等工艺参数，可保证焊丝成分和组织的均匀性，使得 高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝表面质量好，进一步保障了焊丝的焊接工艺性和 焊接稳定性，使焊缝性能满足先进核能技术的焊接高要求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝，包括按质量百分数计的如下成分：C：0.01～0.10％、Cr：12.0～33.0％、Mn：0.50～5.0％、Nb： 2.0～3.0％、Te：0.001～2.8％、Si：0.05～1.00％、Al：0.01～1.00％、Ti：0.10～1.20％、 Y：0.01～0.90％、Mo：0.01～1.00％、Ta：0.001～0.50％、Mg：0.001～0.06％、Fe ≤2.0％、P≤0.010％、S≤0.008％、Cu≤0.10％、Co≤0.02％、N≤0.030％、Zr≤0.02％、 B≤0.005，余量为Ni和不可避免地杂质；
其中，Ni≥60.0％，不可避免地杂质含量≤0.50％。
优选地，所述高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的成分满足：Si+Te≤3.0wt％， Y+Mg≤0.90wt％，0.5Mo+Ta+Nb≤3.5wt％且(Mo+Ta)/Nb的比值为0.1～0.8。
优选地，所述高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的成分满足：C：0.015～0.08％、Ni≥63.0％、Cr：16.0～28.0％、Mn：1.50～5.0％、Te：0.05～2.8％、Y：0.05～0.60％、 Mo：0.05～1.00％、Ta：0.05～0.50％、Mg：0.002～0.05％、P≤0.008％、S≤0.006％、 Cu≤0.08％、Co≤0.01％、N≤0.025％、Zr≤0.01％，按质量百分数计。
优选地，所述高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的成分满足：C：0.025～0.06％、Ni≥60.0％、Cr：17.0～23.0％、Mn：2.0～5.0％、Te：0.10～2.8％、Mg：0.006～0.03％、 P≤0.006％、S≤0.004％、Cu≤0.05％，按质量百分数计。
本发明第二方面提供了一种高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的制备方法，包括以下步骤：
S1，配料，根据本发明第一方面所述的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝成分 配置原材料；
S2，真空感应冶炼，将Ni、Cr按比例分批次加入真空感应炉中，抽真空至真 空度≤2.6Pa后高功率开始化料，熔清后分批次加入合金元素Mn、Nb、Te、Si、 Mo、Ta，全熔后降功率保温精炼30～60min；然后加入Al、Ti、Y、Mg调整成分 至高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的目标成分后浇注出钢，得到钢锭；
S3，电渣重熔，将所述钢锭采用Ar气保护进行电渣重熔得到电渣锭，其中在 所述电渣重熔过程的渣料中加入MgO和Y2O3；
S4，锻造，将电渣锭锻造成圆形或方形棒坯；
S5，热轧，将所述棒坯轧制成线材盘圆，然后对线材盘圆进行固溶处理，并采 用碱浴和混酸工艺对线材盘圆进行酸洗；
S6，线材冷拉拔，通过2～5火次将酸洗后的线材盘圆冷拉拔成高温气冷堆核 电设备用镍合金焊丝。
优选地，所述步骤S2中：
所述化料过程中，功率为n*(200～250)kw；所述保温精炼过程中功率 为n*(80～180)kw；其中n为装炉量，单位为吨。和/或
所述Mg采用Ni-Mg中间合金，Mg含量占Ni-Mg中间合金总质量的2～15wt％； 所述Y采用Ni-Al-Y中间合金加入，Y含量占Ni-Al-Y中间合金总质量的1～10wt％； 和/或
所述浇注出钢时，出钢温度T出钢采用以下公式计算：
T出钢＝T熔+(80～220)℃；
T熔＝1450-60[C]-1.6[Cr]-13[Si]-4[Mn]-5[Al]-11[Ti]-7[Nb]-2.7[Ta]-0.6[Y]- 1.5[Mo]-18[Te]-10.7[Mg]-0.7[Fe]；
式中，T出钢为出钢温度，℃；
T熔为合金初熔点，℃；
[C]、[Cr]、[Si]、[Mn]、[Al]、[Ti]、[Nb]、[Ta]、[Y]、[Mo]、[Te]、[Mg]、[Fe] 分别为合金原料中C、Cr、Si、Mn、Al、Ti、Nb、Ta、Y、Mo、Mg、Fe元素含量，％； 和/或
所述步骤S3中：MgO的加入量为渣料总质量的0.1～2wt％，Y2O3的加入量为 渣料总质量的0.1～3wt％。
优选地，所述步骤S5中：
所述轧制过程中，加热温度为1100～1200℃，终轧温度≥800℃；和/或
所述固溶处理过程中，固溶温度为1020～1100℃；和/或
所述混酸采用HNO3和HF，HNO3与HF的质量浓度比为4:1～6:1，其余配入 60～80wt％的水；所述酸洗温度为50～75℃。
优选地，所述步骤S1中，所述原材料经过除锈、烘烤处理；和/或
所述步骤S4中，所述锻造过程中，锻造火次为1～4火次，锻造加热温度为 1140～1220℃，终锻温度≥820℃；和/或
所述步骤S6中：
所述冷拉拔过程中，每道次变形量为10～30％，每火次变形量为20～70％，最 后一火次拉拔变形量30～60％；和/或
每火次之间采用氢气保护连续退火炉进行软化中间退火，退火温度为1040～1100℃，退火速度为3.0～9.5m/min。
本发明第三发明提供了一种根据本发明第一方面所述的高温气冷堆核电设备 用镍合金焊丝的焊接工艺，其特征在于，采用氩弧气体保护焊接工艺，焊接过程中 各参数控制如下：预热温度为120～180℃，道间温度为120～180℃，焊接电流为 200～300A，电弧电压为10～15V，焊接速度为90～140mm/min，送丝速度为850～ 2000mm/min，氩气流量为12～35L/min，热输入量为1.5～2.8kJ/mm。
优选地，焊接后获得的焊缝金属在675℃下，抗拉强度≥380MPa，屈服强度≥190MPa，延伸率≥140MPa，103小时持久强度≥100MPa，焊缝金属在675℃、14.5MPa 环境高温高压蒸汽下的氧化速度＜0.08g/m2.h。
本发明高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的成分设计及合金强韧化设计原则：
碳(C)：本发明所设计的镍合金焊丝中碳元素是形成碳化物强化的关键元素， 可保证熔敷金属的力学性能和高温持久性能，但碳含量过高会降低合金的腐蚀性能 和焊接工艺性，且间隙原子C是镍基合金产生热裂纹的主要影响元素之一，为了避 免或者降低焊缝金属热裂纹的敏感性，保证强度和持久性能的同时，综合考虑控制 C含量0.01～0.10％，优选0.015～0.08％，更进一步优选0.025～0.06％。
铬(Cr)：Cr元素是保证本发明合金高温抗氧化性能的主要元素，它是稳定 合金表面最重要的元素，它在基体材料的表面形成致密的抗氧化和抗腐蚀的Cr2O3保护层，能防止材料的氧化和热腐蚀，一般Cr含量超过12％会有较好的高温抗氧 化性，超过33％时，Cr含量的增加对提升高温抗氧化性的影响不大，且会析出不利 于力学性能的α-Cr相析出。因此，本发明将Cr含量控制在12.0～33.0％，优选16.0～ 28.0％，更进一步优选17.0～23.0％。
碲(Te)、钇(Y)：稀土元素Y和准金属元素Te是本技术中改善高温抗氧 化性的关键的功能性元素。镍合金添加Cr元素后，耐热和耐腐蚀性能优异，但在 600℃以上的高温情况下，表面形成的Cr2O3易发生挥发，导致抗氧化性降低。复合 添加Te、Y元素后，可形成新相Cr2TeO4、YCrO3，有利于合金选择性氧化膜Cr2O3的生成，改善氧化膜与基体的附着力，有效抑制Cr2O3的挥发，降低氧化速率，提 高了合金的高温抗氧化性能。同时稀土元素Y元素在焊接二次冶金过程中是强脱氧 剂，可以改进焊丝的焊接工艺性。但Te和Y的含量达到一定程度后，改善效果渐 渐保持平衡，且由于这两种元素过量后会对冶金质量造成一定影响，也会影响焊丝 的焊接性，因此将两种元素的含量控制在：Te：0.001～2.8％、Y：0.01～0.90％；优 选地Te：0.05～2.8％、Y：0.05～0.60％；进一步优选Te：0.10～2.8％。
硅(Si)和锰(Mn)：这两种元素可以改善焊接工艺性，二者不仅在炼钢过程 中有脱氧作用，在焊接二次冶金过程中也具有很好的脱氧作用，可保障焊接工艺性 和焊缝金属的韧性，且能够稳定焊缝组织，还具有一定的固溶强化作用，能够提高 高温力学性能，同时，高温环境中，Mn在合金中还会生成NiMn2O4和NiO的复合 氧化物，该氧化物可以阻碍O向内渗透及金属元素向外扩散，提高合金的抗氧化性。 但过多的Mn和Si会降低焊芯的热加工成形性，Si含量过高还会增加焊缝裂纹倾向， 故将两种元素控制在Mn：0.50～5.0％，Si：0.05～1.00％；优选Mn：1.50～5.0％； 更进一步优选Mn：2.0～5.0％。
铝(Al)和钛(Ti)：Al和Ti是可改善合金可焊性，它们与氧的亲和力很强， 可以作为脱氧元素，保护焊缝氧化，有效抑制CO和N气孔形成，有利于焊缝的成 形，对合金有一定的强韧化作用。同时，Al在合金高温氧化过程中会生成A1203， 该氧化物结构有利于提升合金高温抗氧化性。但过高的Al、Ti含量会影响热加工性 和焊接性，并且形成的氧化物容易引起焊缝夹渣，降低抗热裂能力，且Al+Ti含量 过高，会形成γ、γ’等第二相析出，降低高温持久性能强化效果，且会诱发有害相σ 相的析出，综合考虑，将其控制在Al：0.01～1.00％、Ti：0.10～1.20％；优选Al： 0.10～1.00％。
铌(Nb)、钼(Mo)和钽(Ta)：本发明中，Nb、Mo、Ta是高温环境下的 强化元素，作用机理相似，但又各有特点。因这三种元素的原子半径较大，能增加 固溶体晶格畸变和晶格原子键引力，使基体得到强化，固溶强化效果较为显著；同 时，该三种元素是强碳化物形成元素，可形成MC、M6C或M2C型碳化物，对焊缝 金属起到显著的第二相强化作用，提升高温强塑性配合，提高本发明镍合金高温持 久性能；除此之外，三种元素复合添加还可以降低合金元素偏析，提高焊缝金属塑 性。Nb、Mo、Ta三种元素形成的碳化物密度差异较大，NbC的密度为7600kg/m3， Mo2C的密度为9100kg/m3，TaC的密度为15800kg/m3，而基体的密度为8190kg/m3， 这种密度差异易导致合金元素在基体中不均匀分布，焊缝金属的塑性将会受到影 响，但由于NbC、Mo2C、TaC三种碳化物彼此可以互溶，即碳化物中的金属原子可 以任意互换，从而形成较为复杂的(Nb,Mo,Ta)C碳化物，可以通过控制元素之间的 比例来调整碳化物的密度，使其与基体密度相接近，达到降低偏析的目的，需要注 意的是，为了降低碳化物与基体间的密度差异，需要保证Nb、Mo、Ta三种元素在 一个合适的比例范围内。过量的Nb元素易与Al、Ti等形成Ni3(Al,Ti,Nb)析出相， 这类析出相在高温下长期使用，会聚集长大，影响镍合金焊缝金属的高温持久性能， 因此，本发明中，Nb：2.0～3.0％、Mo：0.01～1.00％、Ta：0.001～0.50％；优选 Mo：0.05～1.00％、Ta：0.05～0.50％。
铁(Fe)：Fe元素对高温抗氧化性和持久性能均无显著积极作用，因此本合 金中不特意添加Fe，为残余元素，但在生产当中使用铁质模具和一些返回料就不可 避免的包含铁元素，为了控制成本，综合考虑，本发明将Fe含量控制在≤2.0％，可 尽量低。
磷(P)和硫(S)：S、P是本发明合金的有害元素，这两种元素易偏析在晶 界附近，容易形成焊接热裂纹，降低材料韧性，需要严格限制其含量，含量尽量少， 因此，P≤0.010％、S≤0.008％；优选P≤0.008％、S≤0.006％；更进一步优选P≤0.006％、 S≤0.004％。
镁(Mg)：Mg与S有很强的结合力，合金中加入的Mg元素可以降低S的偏 聚，从而大大改善焊接过程中熔覆金属的晶界裂纹敏感性；同时Mg与氧的结合力 很强，在焊接过程中可以起到脱氧作用，改善熔敷金属的纯净度、焊接工艺性及焊 缝外观质量。但是，Mg含量过高会容易导致氧化物偏聚，形成夹杂，对于力学性 能有不利影响。因此，Mg：0.001～0.06％，优选Mg：0.002～0.05％，进一步优选 Mg：0.006～0.03％。
锆(Zr)：Zr元素与氧亲和力极强，易生成氧化物与非金属夹杂物聚集在晶界， 形成点状缺陷，本发明严格限制其含量，越低越佳，Zr≤0.020％，优选Zr≤0.01％。
钴(Co)和硼(B)：Co和B元素是核电中限制添加的元素，需要控制尽量 低的含量。因此，Co≤0.02％、B≤0.005％；优选Co≤0.01％。
氮(N)：N可提高材料的强度，但易与Al、Ti等元素形成脆性夹杂，大大降 低合金的性能，因此N元素需要尽量低，但考虑到制造成本和性价比，将其控制在 N≤0.030％，优选N≤0.025％。
铜(Cu)：Cu元素在热加工过程中容易产生脆性，且在焊接过程中易形成第 二相，提高焊缝金属的热裂倾向，因此，将Cu严格控制在0.10％以下，优选 Cu≤0.08％，进一步优选Cu≤0.05％。
其它不可避免的杂质元素≤0.50％。
碲(Te)和硅(Si)均具有准金属性质，过多的准金属会为合金的塑性、焊接 流动性带来影响，因此二者的总量需限定为：Si+Te：≤3.0％。
稀土元素钇(Y)和活泼金属镁(Mg)加入过多会成为杂质元素，因此二者的 总量需限定为：Y+Mg≤0.90％。
为了达到复合碳化物密度接近与基体以及控制碳化物尺寸的目的并考虑碳含 量均衡，还需满足0.5Mo+Ta+Nb≤3.5％且(Mo+Ta)/Nb的比值在0.1～0.8之间。
本发明的具有以下有益效果：
1、本发明的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝及其制备方法，通过设计合金 成分以及配套适合的工艺，合理控制电渣重熔、锻造、热轧和拉拔等工艺参数，可 保证焊丝成分和组织的均匀性，使得高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝表面质量 好，进一步保障了焊丝的焊接工艺性和焊接稳定性，使焊缝性能满足先进核能技术 的焊接高要求；
2、本发明高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝，复合添加了Al、Mn、Te、Y、 Cr元素，提高了镍合金的抗高温蒸汽氧化性；通过复合添加了Nb、Mo、Ta元素， 提高了合金的抗高温蠕变性；限制了Mo、Ta、Nb元素的总量及比例，改善了碳化 物的种类、分布和均匀性，严格限制了有害元素P、S和杂质元素Cu、Zr、N的含 量并微量添加了Mg元素，改善了焊丝的焊接工艺性；
3、采用本发明所设计的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝，使得焊缝金属成 分符合要求且具有优异室温/高温拉伸性能、高温持久性能和抗高温高压蒸汽氧化性 能，具体为：675℃环境下，抗拉强度≥380MPa，屈服强度≥190MPa,103小时持久强 度≥140MPa，104小时持久强度≥100MPa，675℃、14.5MPa环境高温高压蒸汽下的 氧化速度＜0.08g/m2.h。可用于高温气冷堆主设备的氩弧焊气保焊丝焊接，满足先 进核能技术对核级镍基合金焊丝的高要求。
具体实施方式
为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明的一种高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝，包括按质量百分数计的如下成分：C：0.01～0.10％、Cr：12.0～33.0％、Mn：0.50～5.0％、Nb：2.0～3.0％、Te： 0.001～2.8％、Si：0.05～1.00％、Al：0.01～1.00％、Ti：0.10～1.20％、Y：0.01～ 0.90％、Mo：0.01～1.00％、Ta：0.001～0.50％、Mg：0.001～0.06％、Fe≤2.0％、P ≤0.010％、S≤0.008％、Cu≤0.10％、Co≤0.02％、N≤0.030％、Zr≤0.02％、B≤0.005， 余量为Ni和不可避免地杂质；其中，Ni≥60.0％，不可避免地杂质含量≤0.50％。
在具体的实施例中，高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的成分还应满足：Si+Te≤3.0wt％，Y+Mg≤0.90wt％，0.5Mo+Ta+Nb≤3.5wt％且(Mo+Ta)/Nb的比值为0.1～ 0.8。
在优选的实施例中，高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的成分中，C：0.015～0.08％、Ni≥63.0％、Cr：16.0～28.0％、Mn：1.50～5.0％、Te：0.05～2.8％、Y：0.05～0.60％、Mo：0.05～1.00％、Ta：0.05～0.50％、Mg：0.002～0.05％、P≤0.008％、S ≤0.006％、Cu≤0.08％、Co≤0.01％、N≤0.025％、Zr≤0.01％，按质量百分数计。
在进一步优选的实施例中，高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的成分中，C：0.025～0.06％、Ni≥60.0％、Cr：17.0～23.0％、Mn：2.0～5.0％、Te：0.10～2.8％、 Mg：0.006～0.03％、P≤0.006％、S≤0.004％、Cu≤0.05％，按质量百分数计。
上述的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝制备流程为：真空感应冶炼→电渣重熔→锻造→热轧→冷拉拔；具体包括以下步骤：
S1，配料：根据上述的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝成分配置原材料；其 中所有原材料应进行除锈、烘烤处理；
S2，真空感应冶炼：将Ni、Cr按比例分批次加入真空感应炉中，抽真空至真 空度≤2.6Pa后高功率(功率为n*(200～250)kw，n为装炉量，单位为吨)开 始化料，使之全部熔清后分批次加入合金元素Mn、Nb、Te、Si、Mo、Ta等，待其 全熔后降功率(功率为n*(80～180)kw，n为装炉量，单位为吨)保温精炼30～ 60min，最大限度的去除有害杂质、气体及非金属夹杂物，以保证钢水纯净度以确 保焊接工艺性和焊缝金属强韧性；然后加入Al、Ti、Y、Mg等脱氧元素和微量合金 元素调整成分至高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的目标成分后浇注出钢，得到钢 锭；其中为保证收得率，Mg采用Ni-Mg中间合金，Mg含量占Ni-Mg中间合金总质量的2～15wt％，Y采用Ni-Al-Y中间合金加入，Y含量占Ni-Al-Y中间合金总质 量的1～10wt％；出钢过程中要控制出钢温度，其中出钢温度T出钢根据合金初熔点T 熔而定，具体采用以下公式计算：
T出钢＝T熔+(80～220)℃；
T熔＝1450-60[C]-1.6[Cr]-13[Si]-4[Mn]-5[Al]-11[Ti]-7[Nb]-2.7[Ta]-0.6[Y]- 1.5[Mo]-18[Te]-10.7[Mg]-0.7[Fe]；
式中，T出钢为出钢温度，℃；
T熔为合金初熔点，℃；
[C]、[Cr]、[Si]、[Mn]、[Al]、[Ti]、[Nb]、[Ta]、[Y]、[Mo]、[Te]、[Mg]、[Fe] 分别为合金原料中C、Cr、Si、Mn、Al、Ti、Nb、Ta、Y、Mo、Mg、Fe元素含量，％。
S3，电渣重熔：将所述钢锭采用Ar气保护进行电渣重熔炉进一步精炼脱S等 杂质元素，经过电渣重熔顺序凝固得到电渣锭，改善电渣锭的凝固组织，提高合金 锭的热加工塑性。同时，因Mg、Y元素极易氧化，为了保证其收得率，在电渣重 熔过程的渣料中加入MgO和Y2O3；其中MgO的加入量为渣料总质量的0.1～2wt％， Y2O3的加入量为渣料总质量的0.1～3wt％，从而使得Mg、Y元素与Al、Ti、Mn、 Si等形成氧化平衡，确保Mg、Y在电渣重熔过程中不被氧化。
S4，锻造：将电渣锭锻造成合适的圆形或方形棒坯；其中圆形棒坯直径可为φ 50～200mm，方形棒坯尺寸可为60×60～180×180mm，锻造火次可为1～4火，锻 造过程中的加热温度1140～1220℃，终锻温度≥820℃。
S5，热轧：用线材轧机将将所述棒坯轧制成Φ4.0-Φ9.0mm线材盘圆，其中轧 制过程中，控制加热温度为1100～1200℃，终轧温度≥800℃；然后对线材盘圆进 行固溶处理，控制固溶温度为1020～1100℃；之后采用碱浴和混酸工艺对线材盘圆 进行酸洗，混酸采用HNO3和HF，HNO3与HF的质量浓度比为4:1～6:1，其余配 入60～80wt％的水；所述酸洗温度为50～75℃；上述方法可针对性的彻底去除镍合 金表面致密的氧化皮并获得良好的盘圆表面质量，利于后续冷拉拔。
S6，线材冷拉拔：根据需要通过2～5火次将酸洗后的线材盘圆冷拉拔成需要 的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝直径；在冷拉拔过程中，每道次变形量为10～ 30％，每火次变形量为20～70％，每火次之间采用氢气保护连续退火炉进行软化中 间退火，退火温度为1040～1100℃，退火速度为3.0～9.5m/min，通过上述处理将 线材充分软化，克服镍合金的高变形抗力；为保证丝材具有合适的挠度以利于焊接 送丝，最后一火次拉拔变形量30～60％。
上述制备的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝在对高温气冷堆核电设备进行 焊接时，采用氩弧气体保护焊接工艺，焊接过程中各参数控制如下：预热温度为 120～180℃，道间温度为120～180℃，焊接电流为200～300A，电弧电压为10～15V， 焊接速度为90～140mm/min，送丝速度为850～2000mm/min，氩气流量为12～ 35L/min，热输入量为1.5～2.8kJ/mm。
最终焊接后获得的焊缝金属在675℃下，抗拉强度≥380MPa，屈服强度≥ 190Mpa，延伸率≥140MPa，103小时持久强度≥100Mpa，焊缝金属在675℃、14.5MPa 环境高温高压蒸汽下的氧化速度＜0.08g/m2.h。
下面结合具体的例子对本发明的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝及其制备 方法作进一步介绍。
实施例
采用上述高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的制备方法进行制备，实施例1～ 5中的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝成分参见表1所示，制备过程中的关键参 数如表2所示；
实施例1～5中制备的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝采用如表3所示的焊 接工艺焊接成坡口对接焊试板，对焊缝金属进行675℃环境下的拉伸性能、持久性 能以及675℃、14.5MPa环境高温高压蒸汽下的抗氧化性能，结果如表4所示。
表1镍合金焊丝的化学成分(重量百分比，wt％)
表2制造方法的关键参数
表3焊接工艺参数
表4高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的焊缝金属性能
结合表1、表2、表3、表4所示，本发明制备的高温气冷堆核电设备用镍合 金焊丝，在氩弧气体保护焊接工艺下有良好的焊接工艺性，焊接过程稳定、无飞溅、 流动性良好，焊道美观光滑，无夹渣、气孔和裂纹等宏观缺陷和显微裂纹。焊缝金 属的675℃环境下的拉伸性能、持久性能以及675℃、14.5MPa环境高温高压蒸汽下 的抗氧化性能有明显的提高，具体为焊缝金属在675℃下，抗拉强度在400～ 430MPa，屈服强度在270～300MPa，延伸率在50～55％，103小时持久强度≥ 160MPa，104小时持久强度≥110MPa，焊缝金属在675℃、14.5MPa环境高温高压 蒸汽下的氧化速度＜0.05g/m2.h。与市售商用焊丝(N06600、ERNiCr-3)相比，675℃ 拉伸强度提高了10％以上；屈服强度提高13％以上；持久强度提高21％以上，高温 高压抗蒸汽氧化性能提高37％以上，且延伸率没有降低，进步非常显著，可满足先 进核能技术对核级镍合金焊丝的高要求。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发 明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述 实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝，其特征在于，包括按质量百分数计的如下成分：C：0.01～0.10％、Cr：12.0～33.0％、Mn：0.50～5.0％、Nb：2.0～3.0％、Te：0.001～2.8％、Si：0.05～1.00％、Al：0.01～1.00％、Ti：0.10～1.20％、Y：0.01～0.90％、Mo：0.01～1.00％、Ta：0.001～0.50％、Mg：0.001～0.06％、Fe≤2.0％、P≤0.010％、S≤0.008％、Cu≤0.10％、Co≤0.02％、N≤0.030％、Zr≤0.02％、B≤0.005，余量为Ni和不可避免地杂质；
其中，Ni≥60.0％，不可避免地杂质含量≤0.50％。
2.根据权利要求1所述的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝，其特征在于，所述高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的成分满足：Si+Te≤3.0wt％，Y+Mg≤0.90wt％，0.5Mo+Ta+Nb≤3.5wt％且(Mo+Ta)/Nb的比值为0.1～0.8。
3.根据权利要求2所述的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝，其特征在于，所述高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的成分满足：C：0.015～0.08％、Ni≥63.0％、Cr：16.0～28.0％、Mn：1.50～5.0％、Te：0.05～2.8％、Y：0.05～0.60％、Mo：0.05～1.00％、Ta：0.05～0.50％、Mg：0.002～0.05％、P≤0.008％、S≤0.006％、Cu≤0.08％、Co≤0.01％、N≤0.025％、Zr≤0.01％，按质量百分数计。
4.根据权利要求3所述的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝，其特征在于，所述高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的成分满足：C：0.025～0.06％、Ni≥60.0％、Cr：17.0～23.0％、Mn：2.0～5.0％、Te：0.10～2.8％、Mg：0.006～0.03％、P≤0.006％、S≤0.004％、Cu≤0.05％，按质量百分数计。
5.一种高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，配料，根据权利要求1～4任一项所述的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝成分配置原材料；
S2，真空感应冶炼，将Ni、Cr按比例分批次加入真空感应炉中，抽真空至真空度≤2.6Pa后高功率开始化料，熔清后分批次加入合金元素Mn、Nb、Te、Si、Mo、Ta，全熔后降功率保温精炼30～60min；然后加入Al、Ti、Y、Mg调整成分至高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的目标成分后浇注出钢，得到钢锭；
S3，电渣重熔，将所述钢锭采用Ar气保护进行电渣重熔得到电渣锭，其中在所述电渣重熔过程的渣料中加入MgO和Y2O3；
S4，锻造，将电渣锭锻造成圆形或方形棒坯；
S5，热轧，将所述棒坯轧制成线材盘圆，然后对线材盘圆进行固溶处理，并采用碱浴和混酸工艺对线材盘圆进行酸洗；
S6，线材冷拉拔，通过2～5火次将酸洗后的线材盘圆冷拉拔成高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝。
6.根据权利要求5所述的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中：
所述化料过程中，功率为n*(200～250)kw；所述保温精炼过程中功率为n*(80～180)kw；其中n为装炉量，单位为吨；和/或
所述Mg采用Ni-Mg中间合金，Mg含量占Ni-Mg中间合金总质量的2～15wt％；所述Y采用Ni-Al-Y中间合金加入，Y含量占Ni-Al-Y中间合金总质量的1～10wt％；和/或
所述浇注出钢时，出钢温度T出钢采用以下公式计算：
T出钢＝T熔+(80～220)℃；
T熔＝1450-60[C]-1.6[Cr]-13[Si]-4[Mn]-5[Al]-11[Ti]-7[Nb]-2.7[Ta]-0.6[Y]-1.5[Mo]-18[Te]-10.7[Mg]-0.7[Fe]；
式中，T出钢为出钢温度，℃；
T熔为合金初熔点，℃；
[C]、[Cr]、[Si]、[Mn]、[Al]、[Ti]、[Nb]、[Ta]、[Y]、[Mo]、[Te]、[Mg]、[Fe]分别为合金原料中C、Cr、Si、Mn、Al、Ti、Nb、Ta、Y、Mo、Mg、Fe元素含量，％；和/或
所述步骤S3中：MgO的加入量为渣料总质量的0.1～2wt％，Y2O3的加入量为渣料总质量的0.1～3wt％。
7.根据权利要求5所述的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中：
所述轧制过程中，加热温度为1100～1200℃，终轧温度≥800℃；和/或
所述固溶处理过程中，固溶温度为1020～1100℃；和/或
所述混酸采用HNO3和HF，HNO3与HF的质量浓度比为4:1～6:1，其余配入60～80wt％的水；所述酸洗温度为50～75℃。
8.根据权利要求5所述的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的制备方法，其特征在于，
所述步骤S1中，所述原材料经过除锈、烘烤处理；和/或
所述步骤S4中，所述锻造过程中，锻造火次为1～4火次，锻造加热温度为1140～1220℃，终锻温度≥820℃；和/或
所述步骤S6中：
所述冷拉拔过程中，每道次变形量为10～30％，每火次变形量为20～70％，最后一火次拉拔变形量30～60％；和/或
每火次之间采用氢气保护连续退火炉进行软化中间退火，退火温度为1040～1100℃，退火速度为3.0～9.5m/min。
9.一种根据权利要求1～4任一项所述的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的焊接工艺，其特征在于，采用氩弧气体保护焊接工艺，焊接过程中各参数控制如下：预热温度为120～180℃，道间温度为120～180℃，焊接电流为200～300A，电弧电压为10～15V，焊接速度为90～140mm/min，送丝速度为850～2000mm/min，氩气流量为12～35L/min，热输入量为1.5～2.8kJ/mm。
10.根据权利要求9所述的高温气冷堆核电设备用镍合金焊丝的焊接工艺，其特征在于，焊接后获得的焊缝金属在675℃下，抗拉强度≥380MPa，屈服强度≥190MPa，延伸率≥140MPa，103小时持久强度≥100MPa，焊缝金属在675℃、14.5MPa环境高温高压蒸汽下的氧化速度＜0.08g/m2.h。
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