核電設(shè)備用690鎳基合金氣體保護(hù)焊絲國產(chǎn)化研究

谷 雨 張俊寶 左 波 黃逸峰 劉衛(wèi)華

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院,上海 200233； 2.中核集團(tuán)第五建設(shè)工程公司,上海 201500)

核電設(shè)備用690鎳基合金氣體保護(hù)焊絲國產(chǎn)化研究

谷 雨1張俊寶1左 波1黃逸峰1劉衛(wèi)華2

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院,上海 200233； 2.中核集團(tuán)第五建設(shè)工程公司,上海 201500)

針對(duì)核電設(shè)備用690鎳基合金焊接材料依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，開展690鎳基合金焊接材料的國產(chǎn)化研制。研制的690鎳基合金氣體保護(hù)焊焊絲WHS690M滿足CAP1000及CAP1400核電站的要求，焊接工藝性良好，在不同焊接規(guī)范參數(shù)下，焊縫金屬室溫及高溫力學(xué)性能波動(dòng)較小，350 ℃抗拉強(qiáng)度≥485 MPa。對(duì)WHS690M及進(jìn)口Inconel 52M焊絲熔敷金屬進(jìn)行高溫失塑裂紋敏感性評(píng)估，并結(jié)合光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)及電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)，對(duì)晶粒取向和晶界特征進(jìn)行觀察。試驗(yàn)表明，焊縫金屬DDC最小臨界應(yīng)變出現(xiàn)在1 050 ℃附近，進(jìn)口Inconel 52M最小臨界應(yīng)變約為2.1%，WHS690M最小臨界應(yīng)變約為3.2%。

核電 690鎳基合金焊絲 抗拉強(qiáng)度 高溫失塑裂紋

0 序 言

690鎳基合金氣體保護(hù)焊焊絲廣泛用于反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器以及穩(wěn)壓器等核島主設(shè)備接管安全端焊縫、J型坡口焊縫以及耐蝕層堆焊，承受高溫、高壓的交變復(fù)雜應(yīng)力的作用，這就要求焊縫金屬不僅應(yīng)具有高塑性、高韌性的特點(diǎn)，而且還要具備較高的耐腐蝕和足夠的斷裂韌性及抗疲勞性能[1]。然而，690鎳基合金焊縫金屬具有較高的裂紋敏感性，尤其DDC敏感性大是690合金焊接中面臨的嚴(yán)重問題。DDC 是一種發(fā)生在固相線以下某一溫度區(qū)間(通常為熔點(diǎn)溫度的0.5 到0.8 倍)的沿晶裂紋，常規(guī)的無損檢測方法難于發(fā)現(xiàn)，但很容易作為裂紋源，擴(kuò)展成宏觀裂紋，對(duì)核設(shè)備的安全可靠運(yùn)行造成危害[2-3]。鎳基合金焊接材料國際主流供貨商美國SMC始終致力于690焊接材料的改進(jìn)，從20世紀(jì)90年代開發(fā)出Inconel 52焊絲，2003年推出Inconel 52M焊絲，2009年又推出Inconel 52MSS焊絲，研究重點(diǎn)一直是如何解決DDC問題[4]。

隨著國內(nèi)核電事業(yè)的發(fā)展，690焊接材料用量不斷增加，690鎳基合金焊接材料的國產(chǎn)化具有重要意義。文中依據(jù)CAP1000及CAP1400核電站的技術(shù)要求，開展690鎳基合金氣體保護(hù)焊焊絲的研制，并與國內(nèi)核島主設(shè)備制造廠哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司及上海電氣核電設(shè)備有限公司合作，對(duì)國產(chǎn)化焊絲進(jìn)行第三方性能試驗(yàn)，為國產(chǎn)化焊絲的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，針對(duì)690鎳基合金DDC問題，開展焊縫金屬的STF試驗(yàn)，對(duì)國產(chǎn)化焊絲熔敷金屬的DDC敏感性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

文中依據(jù)CAP1000及CAP1400核電站的技術(shù)要求，研制的690鎳基合金氣體保護(hù)焊焊絲商業(yè)牌號(hào)為WHS690M。試樣取自表面堆焊層，焊絲直徑1.2 mm。焊絲主要化學(xué)成分見表1，主要焊接參數(shù)見表2。

表1 WHS690M焊絲化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2STF試驗(yàn)

基于Gleeble熱力耦合試驗(yàn)機(jī)的斷裂-應(yīng)變(STF，strain-to-fracture)試驗(yàn)由Nissley等人[5]提出。主要是通過試樣開裂的臨界應(yīng)變及對(duì)應(yīng)的溫度來評(píng)價(jià)焊縫金屬的DDC敏感性。文中采用的Gleeble-3500熱力耦合試驗(yàn)機(jī)由美國DSI公司開發(fā)。

表2 焊接參數(shù)

STF試樣尺寸如圖1所示。試驗(yàn)過程中，試樣以100 ℃/s 的速度加熱到設(shè)定溫度(700 ℃，800 ℃，900 ℃，950 ℃，1 000 ℃，1 050 ℃，1 100 ℃及1 200 ℃)后，先保溫約10 s，此時(shí)試樣熱膨脹可自由進(jìn)行，然后開始以0.1 mm/s恒定速率加載試樣到設(shè)定位移，保持10 s，隨后自然冷卻，試樣隨溫度下降自由收縮。試驗(yàn)結(jié)束后以拉伸試樣中心4 mm范圍為對(duì)象，計(jì)算試樣的局部應(yīng)變量，分析試樣在不同溫度、不同應(yīng)變下的裂紋數(shù)量，得到焊縫金屬在不同溫度下的臨界應(yīng)變，表征焊縫金屬的DDC敏感性。

圖1 STF試樣尺寸

1.3樣品表征與試驗(yàn)結(jié)果分析

采用蔡司Imager A1m光學(xué)顯微鏡，對(duì)STF試驗(yàn)中的拉伸試樣表面放大50倍進(jìn)行觀察，統(tǒng)計(jì)微裂紋數(shù)量及尺寸；采用掃描電子顯微鏡分析熔敷金屬析出相的數(shù)量與尺寸，文中所使用SEM的型號(hào)為NOVA NanoSEM 230。

通過電子背散射衍射分析(EBSD)的反極圖得到熔敷金屬晶粒形貌和晶界角度，對(duì)其輸出的歐拉角數(shù)據(jù)處理，可以得到晶粒內(nèi)部相對(duì)于平均取向的取向差角度分布圖，獲得晶界角度和高溫失塑裂紋的關(guān)系，所使用的EBSD型號(hào)為AZTec HKL Max。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1焊縫金屬性能

試驗(yàn)表明，國產(chǎn)化690焊絲WHS690M不但常規(guī)性能與SMC進(jìn)口Inconel 52M相當(dāng)，而且焊接過程中送絲穩(wěn)定，焊接工藝性較好。圖2為WHS690M焊絲在不同焊接規(guī)范下獲得的焊縫金屬室溫及高溫抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率的試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 焊接參數(shù)對(duì)焊縫金屬拉伸性能影響

不同焊接電流下，焊縫金屬強(qiáng)度波動(dòng)較小，其中，350 ℃抗拉強(qiáng)度均高于485 MPa，達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品水平。室溫及高溫?cái)嗪笊扉L率隨熱輸入的增加呈減小趨勢，但幅度較小，斷后伸長率均高于35%，且室溫與高溫?cái)嗪笊扉L率差距在5%范圍內(nèi)。

2.2DDC敏感性評(píng)價(jià)

圖3為國產(chǎn)化及進(jìn)口690鎳基合金氣體保護(hù)焊絲大面積熔敷金屬DDC臨界應(yīng)變隨溫度的變化曲線。對(duì)于WHS690M，700 ℃時(shí)臨界應(yīng)變?yōu)?.1%左右，950 ℃時(shí)降低到4%，1 050 ℃時(shí)繼續(xù)小幅降低達(dá)到3.2%，達(dá)到最小值εmin。隨著試驗(yàn)溫度的進(jìn)一步提高，焊縫金屬開始出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，材料的塑性一定程度的回復(fù)，臨界應(yīng)變也相應(yīng)提高[6-7]，1 200 ℃時(shí)，臨界應(yīng)變提高到6%左右。Inconel 52M焊絲熔敷金屬STF試驗(yàn)結(jié)果與WHS690M趨勢相同，隨著溫度的提高，焊縫金屬臨界應(yīng)變逐漸降低，并在1 050 ℃時(shí)達(dá)到最低值，此時(shí)εmin為2.1%，低于WHS690M。

圖3 STF試驗(yàn)中應(yīng)變隨溫度變化曲線

由于夾具的導(dǎo)熱，STF試樣在拉伸過程中沿著拉伸方向存在不均勻的溫度分布，試樣中心區(qū)域溫度偏高，兩側(cè)偏低，導(dǎo)致試樣中心區(qū)域的變形量高于兩端鄰近位置。考慮到焊縫金屬在脆性溫度區(qū)間對(duì)試驗(yàn)溫度非常敏感，文中STF試驗(yàn)中，采用試樣中心4 mm范圍作為試驗(yàn)均溫區(qū)，如圖3所示，隨著試驗(yàn)溫度的升高，宏觀應(yīng)變與臨界應(yīng)變的差距逐漸提高，在1 050 ℃，εmin對(duì)應(yīng)宏觀應(yīng)變僅為1.8%。

2.3分析與討論

多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為高溫條件下變形不均勻及塑性儲(chǔ)備不足是DDC的主要形成機(jī)理，材料高溫階段的變形主要通過晶界的滑移實(shí)現(xiàn)。由于變形主要集中在晶界上，所以當(dāng)塑性變形量超過晶界所能承受的變形量時(shí)，就容易出現(xiàn)高溫低塑性裂紋。第二相析出物的數(shù)量、尺寸以及晶界角度對(duì)阻礙晶界滑移、提高材料抗DDC敏感性具有重要意義。裂紋趨向于在垂直于加載方向的晶界上萌生擴(kuò)展，晶界取向差增大，則裂紋出現(xiàn)的概率增大。M23C6析出物可以有效提高晶界強(qiáng)度，減少晶界滑移，并且有助于分散應(yīng)力集中，降低材料的裂紋敏感性[8-12]。

STF試驗(yàn)表明，WHS690M焊絲熔敷金屬DDC敏感性低于進(jìn)口Inconel 52M。通過對(duì)EBSD反極圖分析，如圖4所示，Inconel 52M熔敷金屬相比于WHS690M，組織的不均勻性要更高，晶粒尺寸更大，晶粒的取向也更加雜亂。通過對(duì)比圖5中大角度晶界，也可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口焊絲的大角度晶界在DDC敏感的30°～60°范圍內(nèi)所占的比例也較高。

圖4 熔敷金屬晶粒取向

圖5 多晶取向差概率分布

焊縫金屬晶界Cr23C6析出形態(tài)如圖6所示。M23C6顆粒在Inconel 52M焊絲熔敷金屬晶界連續(xù)析出，而國產(chǎn)WHS690M的晶界上析出相呈分散狀分布。連續(xù)的析出相對(duì)晶界的釘扎作用較弱，并且由于Cr23C6的析出溫度略低于1 000 ℃，在1 050 ℃的DDC最敏感溫度下，析出物的溶解會(huì)造成晶界的弱化。另外，相比于Inconel 52M焊縫金屬平直的晶界，WHS690M更加彎曲。結(jié)合以上幾點(diǎn)差異，進(jìn)口焊絲Inconel 52M的堆焊層表現(xiàn)出更大的DDC裂紋敏感性。

圖6 Inconel 52M與WHS690M熔敷金屬晶界析出相

3 結(jié) 論

(1)國產(chǎn)化690鎳基合金氣保焊焊絲WHS690M滿足ASME SFA-5.14《鎳和鎳合金填充絲和焊絲標(biāo)準(zhǔn)》要求，焊接工藝性良好，在不同焊接規(guī)范參數(shù)下，焊縫金屬力學(xué)性能波動(dòng)較小，室溫及高溫強(qiáng)度與韌性與SMC進(jìn)口Inconel 52M焊絲相當(dāng)。

(2)STF試驗(yàn)中，WHS690M及Inconel 52M焊絲大面積堆焊熔敷金屬DDC臨界應(yīng)變隨溫度的變化規(guī)律相似，最小臨界應(yīng)變出現(xiàn)在1 050 ℃附近，WHS690M臨界最小應(yīng)變約為3.2%，Inconel 52M臨界最小應(yīng)變約為2.1%。

(3)與在進(jìn)口Inconel 52M相比，國產(chǎn)化WHS690M焊絲熔敷金屬晶粒取向更加有序，在30°～60°范圍內(nèi)大角度晶界比例更低，晶間Cr23C6析出物分布更加離散。

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2016-06-21

國家重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012ZX06004-21)

TG404

谷 雨，1982年出生，博士，高級(jí)工程師。主要從事核電焊接設(shè)計(jì)的相關(guān)工作，已發(fā)表論文10余篇。