不同類型接管安全端焊接接頭微觀組織對比研究

茹祥坤， 柳 猛， 張茂龍， 楊乘東， 唐偉寶

(1. 上海電氣核電集團(tuán)有限公司， 上海 201306；2. 深圳中廣核工程設(shè)計有限公司 核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點實驗室， 廣東深圳 518172；3. 上海核電裝備焊接及檢測工程技術(shù)研究中心， 上海 201306；4. 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200240)

核能作為清潔能源，具有經(jīng)濟(jì)、高效等特點，因此核能的發(fā)展受到世界各國的廣泛關(guān)注。核電站核島主設(shè)備壓力容器接管與安全端焊接是異種金屬焊接，該異種金屬焊接接頭往往成為一回路循環(huán)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重影響機(jī)組服役壽命，應(yīng)力腐蝕開裂是其主要失效形式之一[1-4]。

目前，反應(yīng)堆壓力容器接管與安全端焊接主要有兩種接頭：(1)在接管堆焊鎳基合金隔離層，進(jìn)行消應(yīng)力熱處理后[5-6]再用鎳基合金焊材與不銹鋼安全端進(jìn)行對接焊，鎳基合金隔離層堆焊和對接焊均采用鎢極氬弧焊；(2)接管和安全端之間直接采用鎳基合金焊材進(jìn)行鎢極氬弧焊[7-8]。第一種接頭主要應(yīng)用于第二代改進(jìn)型核電技術(shù)的反應(yīng)堆壓力容器，以及第三代核電技術(shù)反應(yīng)堆壓力容器接管與安全端焊接，而第二種接頭主要用于EPR堆型壓力容器及蒸發(fā)器[9]。

第三代核電技術(shù)AP1000的接管和安全端的焊接結(jié)構(gòu)均為第一種接頭，鎳基合金隔離層堆焊后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，與安全端對接后不進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，相對于第二種接管和安全端直接焊接的接頭，其制造周期更長、制造成本也更高，出于對制造周期和制造成本的考慮，第二種接頭更合理。從設(shè)計方來考慮，焊接接頭的服役性能是最關(guān)鍵的性能，關(guān)系到核電站的運行壽命和運行安全。目前，針對兩種接頭的服役性能、結(jié)構(gòu)完整性和斷裂韌性的對比研究很少，為了驗證這兩種接頭的服役性能，需要對其微觀組織和微觀區(qū)域成分進(jìn)行對比分析[10-12]。

筆者通過金相顯微鏡、顯微硬度儀、掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜儀(EDS)等，對比研究帶鎳基合金隔離層和無鎳基合金隔離層的接管安全端焊接接頭的微觀組織和成分分布；通過對焊接接頭的服役性能、斷裂韌性和結(jié)構(gòu)完整性等進(jìn)行對比研究，可為設(shè)計和制造中選擇合理的接管安全端焊接接頭類型提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

1 試驗部分

試驗所用的焊接接頭見圖1。針對帶鎳基合金隔離層接管安全端焊接接頭對接焊，先在低合金鋼(SA508Gr.3)接管堆焊鎳基合金(ERNiCrFe-7)隔離層，堆焊完成后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，最后采用鎳基合金進(jìn)行接管與不銹鋼(316LN)安全端的對接焊，對接焊后不進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。針對無鎳基合金隔離層接管安全端焊接接頭對接焊，直接采用鎳基合金進(jìn)行接管和安全端的對接焊，對接焊后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。

表1為所用材料的主要化學(xué)成分。兩種接管安全端焊接接頭對接完成后的滲透檢測、超聲檢測、射線檢測結(jié)果均滿足要求，成分、組織及性能檢測結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

表1 試驗材料主要化學(xué)成分 %

使用電火花線切割在兩種接管安全端焊接接頭樣品上取樣進(jìn)行分析，樣品尺寸為20 mm×8 mm× 3 mm，取樣位置見圖1中方框①、②、③。微觀組織分析對樣品表面要求較高，樣品表面使用氧化鋁耐水砂紙在金相試樣預(yù)磨機(jī)上打磨到2000號獲得光潔表面，然后使用粒徑1 μm的金剛石拋光膏在金相試樣預(yù)磨機(jī)上進(jìn)行機(jī)械拋光，去除打磨處理樣品表面造成的劃痕。

對機(jī)械拋光后的樣品，使用硝酸(HNO3)酒精(HNO3體積分?jǐn)?shù)為4%)對低合金鋼進(jìn)行刻蝕，時間約為10 s。鎳基合金采用電解刻蝕法，刻蝕溶液中高氯酸(HClO4)、乙酸(CH3COOH)的體積分?jǐn)?shù)分別為20%、80%，刻蝕電壓為3 V(直流電)，刻蝕時間約為25 s。不銹鋼采用由16 g氯化鐵(FeCl3)、80 mL鹽酸(HCl)、2 mL HNO3、11 mL H2O配置成的刻蝕劑進(jìn)行刻蝕。采用KEYENCE VHX-100多功能數(shù)碼顯微鏡觀察刻蝕后的樣品，獲得金相照片。

2 結(jié)果與分析

2.1 帶鎳基合金隔離層微觀組織

2.1.1 低合金鋼與鎳基合金隔離層熔合線

圖2為低合金鋼與鎳基合金隔離層熔合線附近低合金鋼側(cè)的金相組織形貌，位置見圖1(a)中區(qū)域①。低合金鋼側(cè)熱影響區(qū)寬度為3～4 mm，熱影響區(qū)內(nèi)晶粒尺寸分布不均勻。在靠近焊縫處出現(xiàn)脫碳區(qū)(見圖2位置1)；在距離熔合線約1.8 mm處出現(xiàn)寬度200～300 μm的粗晶粒區(qū)(相對周圍組織)，可見圖2位置2；熱影響區(qū)的大部分區(qū)域主要由細(xì)晶粒組成(見圖2位置3)；圖2位置4區(qū)域為低合金鋼母材組織，晶粒尺寸較大，主要為珠光體組織。晶粒尺寸的差別主要與晶粒長大的驅(qū)動力有關(guān)，越靠近熔合線的區(qū)域，驅(qū)動力越大。

圖3為低合金鋼與鎳基合金隔離層熔合線附近鎳基合金隔離層側(cè)的金相組織形貌，位置見圖1(a)中區(qū)域②。鎳基合金隔離層側(cè)組織主要以形狀不規(guī)則的粗大柱狀晶為主，柱狀晶保持接近垂直于焊縫的方向生長，靠近焊縫約500 μm范圍內(nèi)晶粒相對較小，晶粒沒有明顯的固定生長方向。除了異種金屬界面外，在鎳基合金隔離層金屬中還出現(xiàn)了界面一和界面二，界面一距離熔合線約1.5 mm，界面二距離熔合線約2.8 mm(見圖3)。

圖4為低合金鋼與鎳基合金隔離層熔合線附近的硬度分布(3條曲線代表3次測量值)。由圖4可見：在低合金鋼側(cè)靠近熔合線300 μm范圍內(nèi)硬度較低，最低為224 HV(3次測量平均值)，這與低合金鋼熱影響區(qū)脫碳有關(guān)，隨后在熔合線處硬度達(dá)到峰值，進(jìn)入鎳基合金隔離層側(cè)后，硬度逐漸降低，在鎳基合金隔離層中距離熔合線約1.8 mm和3.5 mm處出現(xiàn)兩處硬度峰值。

圖5為低合金鋼與鎳基合金隔離層熔合線附近低合金鋼側(cè)的SEM-EDS分析結(jié)果。

由圖5可見：低合金鋼側(cè)元素沿著遠(yuǎn)離熔合線的方向均勻分布，熱影響區(qū)和母材區(qū)的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯差別。

圖6為低合金鋼與鎳基合金隔離層熔合線附近鎳基合金隔離層側(cè)的SEM-EDS分析結(jié)果，在三個位置出現(xiàn)成分梯度。第一個位置是熔合線處，從低合金鋼到鎳基合金隔離層Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，Cr、Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高；第二個位置約在距離熔合線1.6 mm處，F(xiàn)e質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，Cr、Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高；第三個位置約在距離熔合線3.0 mm處，F(xiàn)e質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)降低，Cr、Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)升高。對比圖3，鎳基合金隔離層中的兩個成分梯度的位置與金相形貌中的兩個界面位置吻合，且成分梯度位置與硬度峰值位置(約1.8 mm和約3.5 mm處)相近，硬度峰值位置對應(yīng)組織硬化位置，作為應(yīng)力腐蝕開裂敏感區(qū)將成為接管安全端焊接接頭的薄弱點，因此硬度峰值位置可作為后續(xù)裂紋擴(kuò)展試驗取樣預(yù)制裂紋位置的參考依據(jù)。

2.1.2 鎳基合金對接焊層與不銹鋼熔合線

圖7為不銹鋼的金相組織形貌，不銹鋼為全奧氏體結(jié)構(gòu)，沒有明顯的組織不均勻現(xiàn)象。

圖8為鎳基合金對接焊層與不銹鋼熔合線附近的硬度分布(3條曲線代表3次測量值)，在不銹鋼側(cè)距離熔合線約1.7 mm處出現(xiàn)硬度峰值，約為250 HV(3次測量平均值)，組織硬化位置作為應(yīng)力腐蝕開裂敏感區(qū)，可作為后續(xù)裂紋擴(kuò)展試驗取樣預(yù)制裂紋位置的參考依據(jù)。

圖9為鎳基合金對接焊層與不銹鋼熔合線附近的元素分布，鎳基合金與不銹鋼的成分區(qū)別明顯，熔合線附近有明顯的成分梯度。

2.2 無鎳基合金隔離層微觀組織

對無鎳基合金隔離層接管安全端焊接接頭試樣進(jìn)行顯微硬度分析，其結(jié)果見圖10(3條曲線代表3次測量值)。在鎳基合金對接焊層中間位置，距離鎳基合金對接焊層與不銹鋼熔合線約5.0 mm處，出現(xiàn)硬度峰值；不銹鋼一側(cè)的硬度峰值出現(xiàn)在距離熔合線約1.6 mm和約3.4 mm處。以上硬度峰值位置可作為后續(xù)裂紋擴(kuò)展試驗取樣預(yù)制裂紋位置的參考依據(jù)。

圖11為低合金鋼與鎳基合金對接焊層熔合線附近的元素分布。

由圖11(a)可得：低合金鋼與鎳基合金成分區(qū)別明顯，除熔合線處，其他位置元素分布沒有明顯梯度。由圖11(b)可得：在熔合線附近，存在一個過渡區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)元素分布存在明顯梯度，所處的區(qū)間為50～55 μm。

圖12為鎳基合金對接焊層與不銹鋼熔合線附近的元素分布。由圖12(a)可得：鎳基合金與不銹鋼成分區(qū)別明顯，除熔合線位置，元素分布沒有明顯梯度。由圖12(b)可得：在熔合線附近，存在寬度為40～45 μm的過渡區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)元素分布存在明顯梯度。

3 結(jié)語

對帶鎳基合金隔離層和無鎳基合金隔離層兩種類型接管安全端焊接接頭的微觀組織進(jìn)行對比研究，獲得的主要研究結(jié)果如下：

(1) 在帶鎳基合金隔離層的接管安全端焊接接頭中，緊鄰低合金鋼與鎳基合金隔離層熔合線附近的低合金鋼熱影響區(qū)的晶粒尺寸明顯大于遠(yuǎn)離熔合線的低合金鋼熱影響區(qū)的晶粒尺寸。

(2) 在帶鎳基合金隔離層的接管安全端焊接接頭中，距離低合金鋼與鎳基合金隔離層熔合線約1.8 mm和約3.5 mm處的鎳基合金隔離層中出現(xiàn)硬度峰值，約1.6 mm和約3.0 mm處的鎳基合金隔離層中出現(xiàn)成分梯度；在距離鎳基合金對接焊層與不銹鋼熔合線約1.7 mm處的不銹鋼中出現(xiàn)硬度峰值，無成分梯度。

(3) 在無鎳基合金隔離層的接管安全端焊接接頭中，距離鎳基合金對接焊層與不銹鋼熔合線約5.0 mm處的鎳基合金對接焊層中，以及約1.6 mm和約3.4 mm處的不銹鋼中，出現(xiàn)硬度峰值，無成分梯度。

(4) 通過對兩種類型的接管安全端焊接接頭進(jìn)行研究，熔合線和硬度峰值位置可作為后續(xù)裂紋擴(kuò)展試驗預(yù)制裂紋位置的參考依據(jù)。