Cr涂層鋯合金包殼管與端塞環(huán)縫焊接接頭耐腐蝕性能研究

周希 雷明 袁野 廖強(qiáng) 李冬

摘要：采用壓力電阻焊及 TIG 焊兩種方式焊接無涂層/Cr 涂層鋯合金包殼管與端塞，研究其焊接接頭組織和耐腐蝕性能。采用高壓釜對焊接試樣進(jìn)行高溫高壓水腐蝕試驗(yàn)，采用 SEM 對焊接接頭試樣進(jìn)行腐蝕后的外表面形貌表征以及對Cr 涂層包殼管焊接接頭試樣進(jìn)行縱截面形貌表征，采用EDS進(jìn)行微區(qū)成分分析，采用金相顯微鏡觀察接頭試樣縱截面顯微組織。結(jié)果表明，當(dāng)采用TIG 焊對Cr 涂層鋯合金包殼管進(jìn)行焊接時(shí)，焊接接頭中出現(xiàn)了Cr 與Zr 兩種金屬的合金化現(xiàn)象，接頭中存在較多的氣孔和裂紋;而當(dāng)采用壓力電阻焊對 Cr 涂層鋯合金包殼管進(jìn)行焊接時(shí)， Cr 涂層并沒有對焊接接頭產(chǎn)生負(fù)面影響，接頭在保持良好焊接性能的同時(shí)，還具備了良好的抗高溫水腐蝕性能。

關(guān)鍵詞：壓力電阻焊;鎢極惰性氣體保護(hù)焊;鉻涂層包殼管;金相組織

中圖分類號： TG441????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號：1001-2303（2022）02-0084-06

Study on Corrosion Resistance of Girth Gelding Joint of Cr-Coated Zir‐ conium Alloy Cladding Tube and End Plug

ZHOU Xi， LEI Ming， YUAN Ye， LIAO Qiang， LI Dong

CNNC Jianzhong Nuclear Fuel Co. ， Ltd. ， Yibin 644000， China

Abstract： Pressure resistance welding and TIG welding were used to weld the welding joint between the uncoated/Cr-coated zirconium alloy cladding tube and the end plug. The microstructure and corrosion resistance of the welded joint were evalu‐ ated. Testing corrosion property of welding specimen using high temperature and high pressure water. The surface morphol‐ ogy of the welded joint specimen after etching and the longitudinal section morphology of Cr coating cladding tube welded joint specimen were studied by means of SEM. The composition of the interface was identified by EDS. The longitudinal section microstructure of welded joint specimen was observed by using microscope. Results prove that when the zirconium alloy cladding tube with Cr coating was welded by TIG welding method， the alloying phenomenon of Cr and Zr metals ap‐ peared in the welded joint， and many pores and cracks appeared in the joint. However， the presence of Cr coating did not have a negative effect on the welded joints when using pressure resistance welding method， and the welded joints main‐ tained good welding performance and had a good resistance to high temperature water corrosion.

Keywords： pressure resistance welding; tungsten inert gas protection welding; Cr-coated cladding tube; metallographic structure

引用格式：周希，雷明，袁野，等. Cr涂層鋯合金包殼管與端塞環(huán)縫焊接接頭耐腐蝕性能研究[J].電焊機(jī)，2022，52（2）：84-89.?? Citation：ZHOU Xi， LEI Ming， YUAN Ye， et al. Study on Corrosion Resistance of Girth Gelding Joint of Cr-Coated Zirconium Alloy Cladding Tube and End Plug[J]. Electric Welding Machine， 2022， 52（2）：84-89.

0? 前言

核燃料用鋯合金包殼管由于長時(shí)間的服役需求，應(yīng)具有良好的抗輻照性能和抗腐蝕性能[1-2]。鉻元素具有良好的耐蝕性，長期以來將其作為鋯合金包殼管的抗氧化涂層進(jìn)行研究[3-4]。日本福島核事故后，核工業(yè)領(lǐng)域掀起了對事故容錯(cuò)燃料（Accident- tolerant fuels，ATF）的研究與開發(fā)熱潮，Cr涂層耐高溫、抗氧化的特性使其具有良好的應(yīng)用前景。PARK J H[5]應(yīng)用電弧離子鍍技術(shù)在Zircaloy-4上鍍上一層鉻層作為ATF包殼的抗氧化涂層，通過高溫氧化測試表明 Cr涂層沒有剝落，Cr 涂層上有一層薄的 Cr2O3氧化層，Cr膜成功地起到了腐蝕保護(hù)層的作用。其他學(xué)者也對Cr涂層的制備、性能等各個(gè)方面進(jìn)行了比較深入的研究[6-9]。

全尺寸的Cr涂層包殼管已入堆考驗(yàn)，但關(guān)于Cr涂層包殼管焊接性能方面的研究卻鮮有報(bào)道。在壓水堆核燃料元件的制造中，包殼管與端塞的主要焊接方式有壓力電阻焊、電子束焊接（EBW）以及鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG），壓力電阻焊為非熔化焊， EBW 和 TIG 為熔化焊。本文采用壓力電阻焊及 TIG 焊兩種方式對 Cr涂層及無涂層鋯合金包殼管與端塞進(jìn)行焊接試驗(yàn)，分析Cr涂層對焊接接頭組織和耐腐蝕性能的影響。

1? 試驗(yàn)材料和方法

1.1? 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用包殼管材料為N36鋯合金，化學(xué)成分如表1所示。包殼管外徑10 mm，壁厚約0.6 mm，再結(jié)晶狀態(tài)。

1.2? 試樣制備

使用物理氣相沉積的方式制備Cr涂層N36鋯合金包殼管，涂層為純Cr，厚度15μm 。將包殼管與 Zr-4合金端塞進(jìn)行環(huán)縫焊接試驗(yàn)，焊接方式分別為壓力電阻焊和 TIG 焊，主要焊接參數(shù)如表2所示。同時(shí)采用相同工藝制備無涂層的N36鋯合金包殼管與Zr-4合金端塞焊接試樣作為試驗(yàn)對照。

1.3? 測試及表征

所有焊接試樣按照 ASTM G2/G2M《Standard Test Method for Corrosion Testing of Products of Zir‐ conium，Hafnium，and Their Alloys in Water at 680℉（360℃）or in Steam at 750℉（400℃）》在高壓釜中進(jìn)行72 h高溫高壓水腐蝕試驗(yàn)。

使用內(nèi)壓爆破試驗(yàn)方法測試壓力電阻焊試樣焊縫區(qū)域的力學(xué)性能。試驗(yàn)設(shè)備為美特斯CMT4204型電子萬能試驗(yàn)機(jī)。將聚氨酯棒及墊片分別放入包殼管，壓塞速度為50 mm/min，下壓壓塞，直至包殼管破裂。

采用Struers Tegramin-25自動(dòng)磨拋機(jī)進(jìn)行金相試樣的制備。使用 SiO2氧化物機(jī)械拋光試樣用于掃描電鏡形貌表征。使用化學(xué)浸蝕后的試樣用于顯微組織分析，化學(xué)浸蝕的試劑體積比為HNO3∶HF ∶H2O=45∶10∶45，擦拭時(shí)間約15 s。

采用FEI Q45型掃描電子顯微鏡對腐蝕試樣外表面及涂層截面形貌進(jìn)行表征。采用OXFORD X- Max40能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析。采用Zeiss Ob‐ server.D1m 金相顯微鏡觀察分析試樣縱截面顯微組織。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 焊接接頭水腐蝕試驗(yàn)

高溫高壓水腐蝕測試后的焊接試樣宏觀照片如圖1所示。圖1a、1b左上角圖片分別為Cr涂層包殼管焊接試樣水腐蝕試驗(yàn)前的照片，可以看出，TIG 焊接試樣焊縫邊緣已經(jīng)存在較深的氧化色（圖1a中深灰色區(qū)域），而壓力電阻焊試樣外觀良好，保持了原有的金屬光澤。水腐蝕試驗(yàn)后，Cr涂層包殼管TIG試樣與無涂層包殼管TIG試樣相比，焊縫區(qū)域氧化色更深。這是因?yàn)镃r涂層有良好的耐腐蝕性能，Cr 涂層包殼管母材區(qū)域仍保持Cr涂層的銀灰色，無明顯腐蝕痕跡。且 Cr涂層包殼管TIG焊試樣焊縫區(qū)域有局部凸起。

將水腐蝕后的TIG焊試樣進(jìn)行掃描電鏡分析。焊縫區(qū)域外表面的顯微形貌如圖2所示?？梢钥闯觯?jīng)72 h高溫高壓水腐蝕后，與無Cr涂層試樣相比，有Cr涂層試樣在焊縫區(qū)域靠近涂層包殼管一側(cè)出現(xiàn)了裂紋、凸起及坑洞三種缺陷。對焊縫非凸起區(qū)域1、凸起區(qū)域2及涂層包殼管3進(jìn)行成分分析，其主要元素含量如圖2c所示。由成分分析結(jié)果可知，焊縫凸起區(qū)域的氧含量高于非凸起區(qū)域，且在腐蝕坑周圍的凸起區(qū)域與裂縫周圍的凸起區(qū)域?qū)挾认喈?dāng)。裂縫與坑洞的存在促進(jìn)了氧在焊縫中的擴(kuò)散。

將水腐蝕后的壓力電阻焊試樣進(jìn)行掃描電鏡分析。焊縫區(qū)域外表面形貌如圖3所示，焊縫區(qū)域可分成四個(gè)區(qū)域：管子形變區(qū)、管子擠出物區(qū)、端塞擠出物區(qū)以及端塞形變區(qū)?？梢钥闯觯鼩す鼙砻嫱繉拥拇嬖诓⒉挥绊憠毫﹄娮韬负缚p的水腐蝕性能。由于Cr涂層良好的延展性，在管子變形區(qū)域也未見明顯的缺陷產(chǎn)生。

2.2 ??Cr涂層包殼管焊接試樣縱截面形貌

采用自動(dòng)磨拋機(jī)對 Cr涂層包殼管TIG焊試樣進(jìn)行粗磨、細(xì)磨及氧化物機(jī)械拋光，在掃描電鏡下觀察涂層區(qū)域縱截面形貌，結(jié)果如圖4所示。可以看出，在焊縫包殼管側(cè)涂層的下方存在著氣孔，涂層與焊縫的交界處存在裂紋。分析認(rèn)為，由于Cr涂層與鋯包殼的熔點(diǎn)不同，在涂層與焊縫的交接處，部分 Cr涂層未完全熔化，由于 Cr涂層的存在導(dǎo)致焊縫中的氣體不能擴(kuò)散到表面以及焊縫金屬在結(jié)晶過程中結(jié)晶行為受到約束，從而導(dǎo)致整個(gè)焊縫周向都必然有氣孔和裂紋存在，影響焊縫的可靠性。由此推斷，水腐蝕試驗(yàn)中裂縫、凸起的產(chǎn)生都是焊縫金屬結(jié)晶過程中形成的裂紋造成的。高溫水借助于密集分布的裂紋更迅速地與焊縫材料發(fā)生反應(yīng)。

選取圖4中灰度不同的1、2、3、4四個(gè)區(qū)域進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表3所示。

由表2可知，整個(gè)焊縫區(qū)域都有 Cr 元素的分布，表明在整個(gè)焊縫內(nèi)部均存在Cr與Zr合金的合金化現(xiàn)象。但是，焊縫組織的形成是非平衡態(tài)凝固的過程，并不能用Cr-Zr合金平衡相圖來分析其組成。

對Cr涂層包殼管壓力電阻焊試樣進(jìn)行爆破試驗(yàn)，然后進(jìn)行金相檢驗(yàn)，使用掃描電鏡觀察其縱截面形貌，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，爆破斷口并未出現(xiàn)在焊縫結(jié)合線上，說明焊縫具有優(yōu)良的力學(xué)性能。觀察管口處形貌特征，發(fā)現(xiàn)鍍層與基體界面清晰，且Cr涂層與包殼管基體結(jié)合緊密。觀察管子變形區(qū)域，未出現(xiàn)密集的因Cr涂層受焊接應(yīng)力變形而產(chǎn)生的裂紋。對Cr涂層包殼管壓力電阻焊試樣包殼管管口區(qū)域進(jìn)行面掃描分析，如圖6所示，焊縫區(qū)域內(nèi)未見Cr元素分布。這是由于壓力電阻焊熱處理時(shí)間極短，鄰近焊接區(qū)域的位置也能保持相對低的溫度[10]。

2.3 ??Cr涂層包殼管焊接試樣顯微組織分析

利用化學(xué)浸蝕試劑（HNO3∶HF∶H2O=45∶10∶45）對 Cr涂層包殼管TIG焊試樣縱截面進(jìn)行擦拭，觀察焊縫金相組織，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯缚p內(nèi)部出現(xiàn)粗大的柱狀晶和等軸晶晶粒組織（白色箭頭所指為晶界）以及因化學(xué)浸蝕劑浸蝕而造成的腐蝕坑（黑色小坑）。 Cr與Zr 的合金化使得Cr涂層包殼管TIG焊試樣焊縫的顯微組織與由魏氏體或馬氏體構(gòu)成的典型的鋯合金焊縫組織存在著明顯的差異。

壓力電阻焊試樣經(jīng)過機(jī)械氧化拋光和陽極氧化（電解電壓10 V，電解液為體積分?jǐn)?shù)為5%的H2SO4溶液）處理后的金相組織如圖8所示。藍(lán)色虛線為包殼管的熱影響區(qū)，紅色點(diǎn)劃線為端塞的熱影響區(qū)。由于壓力電阻焊本身非熔化焊的特點(diǎn)，在利用涂層包殼管試樣與端塞進(jìn)行焊接時(shí)，僅僅只有管子變形區(qū)與未變形區(qū)交界處的少部分涂層受到焊接熱量的影響。通過對Cr涂層壓力電阻焊試樣水腐蝕試樣表面的觀察以及金相試樣的分析可知，該區(qū)域的涂層并未受到明顯的破壞，因此涂層得以保持優(yōu)良的抗氧化性能。

3? 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓力電阻焊較TIG焊更適用于鍍Cr涂層包殼管焊接，壓力電阻焊焊接接頭中Cr 涂層保持完好，接頭同時(shí)具備了良好的焊接特性和抗腐蝕特性，具有更優(yōu)良的耐高溫高壓水腐蝕性能。

（2）Cr涂層包殼管與端塞TIG焊接接頭中產(chǎn)生了Cr與Zr兩種金屬的合金化，導(dǎo)致焊接接頭耐腐蝕性能降低。當(dāng)需要采用TIG焊接方式制造涂層燃料棒時(shí)，應(yīng)考慮焊接后再進(jìn)行涂層的包覆。

（3）目前，涂層包殼管的研究僅見于堆外理化性能測試，涂層包殼管的堆內(nèi)性能還有待于入堆考驗(yàn)。

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