690鎳基合金焊條熔敷金屬性能研究

谷雨　張俊寶　黃逸峰　左波　余燕

摘要：690鎳基合金焊接材料廣泛用于核電設(shè)備接管安全端焊縫、J型坡口焊縫以及耐蝕層堆焊，目前核島設(shè)備用690鎳基合金焊接材料基本依賴進(jìn)口。采用拉伸試驗對國內(nèi)研發(fā)的核電設(shè)備用690鎳基合金焊條的力學(xué)性能進(jìn)行評價，并與進(jìn)口焊條進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，國產(chǎn)690鎳基合金焊條滿足ASME類別號ENiCrFe-7，焊縫金屬力學(xué)性能達(dá)到進(jìn)口焊條Inconel 152水平，室溫抗拉強(qiáng)度高于650 MPa，350 ℃抗拉強(qiáng)度高于520 MPa，屈服強(qiáng)度高于340 MPa，焊條焊接工藝性良好。

關(guān)鍵詞：核電設(shè)備;690鎳基合金焊條;ENiCrFe-7;力學(xué)性能

中圖分類號：TG404 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）12-0001-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.01

0 前言

690鎳基合金作為一種在600合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型耐應(yīng)力腐蝕材料，在核電工程中廣泛應(yīng)用于傳熱管、蒸汽發(fā)生器水室封頭隔板、反應(yīng)堆壓力容器驅(qū)動管座以及接管安全端中。690鎳基合金常用的焊接材料包括ENiCrFe-7焊條、ERNiCrFe-7A 焊絲、EQNiCrFe-7A 焊帶/焊劑，在“二代加”及“三代”核電站主設(shè)備安裝、制造中應(yīng)用更廣，除了用于鎳基合金的對接焊外，還廣泛用于異種金屬結(jié)構(gòu)的焊接以及耐蝕層堆焊[1-2]。鎳基合金焊接熔池金屬黏性較高、流動性差，焊縫熱裂紋傾向較大，焊接工藝性較差[3]，因此，原材料用鑄錠對冶煉工藝要求較高，目前，核電用690鎳基合金焊接材料主要被SMC、Sandvik等公司壟斷。

文中針對國內(nèi)核電設(shè)備用690鎳基合金焊接材料基本依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，依據(jù)三代非能動核電站的技術(shù)要求，開展國產(chǎn)焊條研制，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，對國產(chǎn)焊條進(jìn)行用戶評價試驗。同時，選取國際主流供貨商美國超合金公司的Inconel 152進(jìn)行對比分析，探討國產(chǎn)690鎳基合金焊條用于核電設(shè)備制造的可行性。

1 試驗材料和方法

試板材料采用SA-508 Gr.3 Cl.2鍛件，試板尺寸規(guī)格為δ50 mm×300 mm×400 mm。國產(chǎn)焊條屬于ASME規(guī)范ENiCrFe-7類別，采用三批次試驗確定國產(chǎn)焊條的性能穩(wěn)定性，第一、第二批次焊條直徑3.2 mm，第三批次焊條直徑4.0 mm，同時采用目前核電工程中大量應(yīng)用的Inconel 152焊條（直徑4.0 mm）進(jìn)行對比，焊接工藝參數(shù)如表1所示。

熔敷金屬成分如表2所示。Mn、Nb含量是影響690鎳基焊條焊縫金屬裂紋敏感性和拉伸性能的重要合金元素，國產(chǎn)焊條在確定焊心主要成分基礎(chǔ)上，通過藥皮過渡Mn、Nb元素，進(jìn)一步改善產(chǎn)品的抗裂紋敏感性和強(qiáng)度，國產(chǎn)焊條熔敷金屬M(fèi)n及Fe含量略高于進(jìn)口焊條。

焊縫金屬高溫拉伸試驗采用Gleeble-3500熱模擬試驗機(jī)，拉伸試樣φ6 mm，標(biāo)距長度40 mm，拉伸速率為1 mm/min。采用掃描電子顯微鏡的二次電子和背散射電子成像觀察試樣的微觀組織，掃描電子顯微鏡的型號為NOVA NanoSEM 230，EBSD型號為AZTec HKL Max。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊縫成形

在相同的SA-508 Gr.3 Cl.2鋼試板上進(jìn)行堆焊，對比國產(chǎn)及進(jìn)口焊條焊道成形和熔敷效率。焊道成型如圖1所示，國產(chǎn)及進(jìn)口焊道成型良好，焊道表面紋路清晰，焊道脫渣容易，打磨后焊道表面光亮度良好，說明國產(chǎn)焊條熔渣保護(hù)良好。焊道熔高和熔寬尺寸測量結(jié)果如圖2所示，國產(chǎn)焊條堆焊層熔寬約8.4 mm，熔高2.2 mm，與進(jìn)口焊材相當(dāng)。

2.2 拉伸性能

實驗室條件下三批次國產(chǎn)焊條焊態(tài)及焊后熱處理態(tài)（608 ℃×40 h）焊縫金屬拉伸性能結(jié)果分別如圖3、圖4所示?？梢钥闯?，焊縫金屬焊態(tài)室溫及高溫力學(xué)性能穩(wěn)定性較好，焊態(tài)下，焊縫金屬室溫抗拉強(qiáng)度大于640 MPa，350 ℃時抗拉強(qiáng)度大于530 MPa。焊后熱處理狀態(tài)下，焊縫金屬室溫及高溫抗拉強(qiáng)度略微有所提高，室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到680 MPa，350 ℃抗拉強(qiáng)度大于550 MPa。焊后熱處理態(tài)下焊縫金屬屈服強(qiáng)度與焊態(tài)基本持平。

在生產(chǎn)條件下開展國產(chǎn)焊條評價，其焊接工藝性滿足良好，滿足生產(chǎn)需求，常規(guī)性能與SMC生產(chǎn)的Inconel 152焊條相當(dāng)，優(yōu)化參數(shù)下，國產(chǎn)690焊條熔敷金屬力學(xué)性能如表3所示。

焊縫金屬高溫拉伸試驗結(jié)果如圖5所示?？估瓘?qiáng)度及延伸率在室溫至1 100 ℃范圍內(nèi)逐漸下降，1 100 ℃下的延伸率較1 050 ℃時有少量回升。熔敷金屬在1 050 ℃附近存在塑性低谷，與焊縫金屬高溫失塑裂紋敏感性分析結(jié)果一致[2]，這可能與材料在高溫下的動態(tài)再結(jié)晶有關(guān)，在動態(tài)再結(jié)晶作用下，材料的塑性得到一定程度的恢復(fù)[4]。另外，試驗溫度低于700 ℃時，可以看出材料明顯的加工硬化，溫度高于900 ℃之后，高溫拉伸曲線的塑性階段表現(xiàn)為直接屈服。焊縫金屬在室溫到700 ℃范圍內(nèi)保持著優(yōu)異的力學(xué)性能，700 ℃時，焊縫金屬抗拉強(qiáng)度約為300 MPa，屈服強(qiáng)度約為190 MPa。

2.3 焊縫金屬組織

690熔敷金屬晶間析出相形態(tài)及晶粒取向如圖6a所示，熔敷金屬晶粒取向以[001]為主，大量[101]方向的小晶粒分散在大的晶粒內(nèi)部。由SEM分析結(jié)果可知（見圖6b），國產(chǎn)690焊條熔敷金屬存在大量的偏析區(qū)域和枝晶間析出相，文獻(xiàn)[5-6]研究表明，析出相以MC結(jié)構(gòu)的Nb富集析出物及M23C6結(jié)構(gòu)的Cr富集析出物為主，析出相偏聚阻斷了奧氏體晶界，與EBSD分析結(jié)果一致。析出相通常是在凝固過程中形成，影響不同枝晶的合并角度，促進(jìn)了更多小晶粒的形成，使得附近的奧氏體晶界變得更為曲折。同時，枝晶間析出相的增加消耗了C、Cr等元素，抑制了其向奧氏體晶界處的擴(kuò)散。曲折形貌和Cr元素的保留提升了奧氏體晶界的相對強(qiáng)度，有利于提高焊縫金屬強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）國產(chǎn)690鎳基合金焊條滿足ASME SFA-5.11中ENiCrFe-7類別要求，焊接工藝性良好，φ4.0 mm焊條堆焊層熔高8.4 mm，熔寬2.2 mm。焊縫金屬室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)650 MPa，350 ℃抗拉強(qiáng)度高于520 MPa。

（2）高溫拉伸試驗表明，試驗溫度低于700 ℃時，焊縫金屬存在加工硬化;溫度高于900 ℃后，高溫拉伸曲線的塑性階段表現(xiàn)為直接屈服。試驗溫度為700 ℃時，焊縫金屬抗拉強(qiáng)度約為300 MPa，屈服強(qiáng)度約為190 MPa。

（3）690焊縫金屬晶粒取向以[001]為主，不同取向的小晶粒分散在大的晶粒內(nèi)部，枝晶間存在連續(xù)的析出相，奧氏體晶界蜿蜒曲折，有利于降低晶界滑移并提高焊縫金屬強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2020-08-11

基金項目：國家科技重大專項（2018ZX06004001）

作者簡介：谷 雨（1982— ），男，博士，高級工程師，主要從事核電焊接設(shè)計的相關(guān)工作。E-mail：guyu@snerdi.com.cn。