Cr涂層厚度對鋯合金包殼GTAW焊縫組織與性能的影響分析

陳兵兵，馮 亮，李思功，張學糧，廖業(yè)宏

(1.中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 陽江 529500；2.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

日本福島核事故后，為了提高燃料元件抵抗嚴重事故的能力，耐事故燃料的研發(fā)受到世界各核電強國的廣泛重視[1]。相關研究[2-5]重點介紹利用對包殼材料性能的改進以提升燃料元件在事故條件下的整體安全性，通過在鋯合金包殼管表面涂覆一定厚度的特制涂層，提高包殼管在高溫蒸汽環(huán)境下的抗高溫氧化性能，從而抑制鋯-水反應的發(fā)生。近年來，針對鍍Cr涂層的概念研究取得明顯進展[6，7]，但有關Cr涂層包殼焊接性能的研究仍然較少，商用核級鋯合金材料對合金成分和性能均有嚴格的控制和要求，盡管有文獻指出Cr作為添加元素有利于改善鋯合金的耐腐蝕性能[8-10]，但焊接過程復雜，Cr涂層與多種元素作用，對焊接接頭整體的結構和性能均會產生影響。本文以鋯鈮合金包殼管為基材，對不同Cr涂層厚度的管材進行焊接試驗，研究了涂層厚度對鋯合金GTAW接頭組織結構和性能的影響。

1 材料及工藝

1.1 材料特性

本試驗采用國產鋯鈮合金母材，其中管材尺寸為φ9.5 mm×δ0.57 mm，管材的主要成分見表1，管材外表面為磁控濺射的純Cr涂層，焊接試驗選用涂層厚度0 μm、15 μm、20 μm和25 μm四種規(guī)格。配合的端塞由鋯合金棒材加工成適配的結構，具體如圖1所示。焊接前Cr涂層管材與實體端塞先通過過盈配合的形式進行機械壓合，形成圖1的配合結構，再開展焊接試驗。

圖1 接頭焊接示意圖Fig.1 The schematic of joint1—包殼管；2—Cr涂層；3—配合面；4—鎢極；5—取樣區(qū)；6—焊縫；7—端塞

表1 母材化學成分(wt%)Table 1 The chemical composition of base material (wt%)

1.2 焊接工藝

焊接試驗選擇用于燃料棒制造的成熟GTAW工藝，采用抽真空后充氦氣的方式對焊接過程進行保護，以降低N2、O2等雜質氣氛對焊縫的影響，焊接主要參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

2 結果與分析

2.1 宏觀成型狀態(tài)

通過接頭的橫截面宏觀形態(tài)可以看出，與相關研究相似，Cr涂層接頭均有點狀特征的出現(xiàn)，且隨著涂層厚度的增加點狀特征增多。此外，受脈沖電流的沖擊作用，點狀特征形成明顯的分層現(xiàn)象，主要在焊縫中、下層富集，具體如圖2所示。Cr涂層還明顯影響焊縫熔深，如圖3所示，即Cr涂層厚度少量增加也造成熔深的顯著降低，三種涂層管均出現(xiàn)未焊透缺陷。

圖2 焊縫截面形態(tài)Fig.2 The joint section morphology

圖3 Cr涂層厚度對熔深的影響Fig.3 The influence of Cr coating thickness on penetration

2.2 耐水腐蝕性能

按照ASTM G2標準將焊接試樣在360 ℃條件下進行72 h的水腐蝕試驗，結果顯示涂層對母材具有良好的保護作用，涂層試樣母材側均保持銀白色，且腐蝕增重明顯低于非涂層試樣，但涂層試樣焊縫的耐水腐蝕性能明顯惡化，與非涂層焊縫表面的致密光滑狀態(tài)不同，其表現(xiàn)出一定的表層開裂和脫落傾向，且開裂集中在焊縫 Cr涂層一側。對比焊接試樣焊縫的表層狀態(tài)不難看出，Cr涂層熔入焊縫易造成圖4(a)所示的微氣孔和微裂紋，同時富Cr焊縫的耐水腐蝕性能也明顯降低，如圖4(b)所示，水腐蝕下裂紋在焊縫內側產生并向焊縫邊緣擴展，裂紋將焊縫表層分割成塊狀，富Cr焊縫與Cr涂層的特性差異也造成焊縫邊緣的明顯剝離。

圖4 焊縫的水腐蝕特性Fig.4 The water corrosion characteristics of weld

2.3 焊縫組織

接頭的金相微觀組織特征如圖5所示，Cr涂層未接頭熱影響區(qū)的微觀組織產生顯著影響，但對焊縫底部結合界面處的微觀組織影響較為明顯，隨著Cr層厚度增加，焊縫底部和結合處界面在腐蝕劑作用下呈現(xiàn)出較多的點狀特征，如圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)所示，且隨著涂層厚度的增加，觀察到點狀特征的數(shù)量增多、體積變大。利用掃描電鏡對焊縫組織進行點成分分析，結果顯示點狀區(qū)域只在Cr含量上高于非點狀特征區(qū)，表明點狀特征并非金屬或氧化物夾雜，而是由焊接過程中鋯合金管表面的Cr層熔化進入熔池引起，熔池快速結晶造成焊縫成分不均勻，從而導致焊縫各區(qū)域的非均勻耐蝕。事實上，通過圖5(a)也可看出，非涂層焊縫中組織呈現(xiàn)明顯的粗大條狀，相同腐刻條件下的涂層焊縫組織則為細小的針狀，且顯像較淺，如圖5(c)所示。Cr涂層焊縫的晶界也更加明顯，且隨涂層厚度的增加而更為突出，如圖5(c)與圖5(d)所示，粗大晶界沿熔合區(qū)延伸，形成類似于裂紋拓展的特征。

圖5 焊縫組織Fig.5 The microstructure of weld

此外，隨著Cr涂層厚度的增加，焊縫的涂層測觀察到明顯的晶界析出物，當涂層厚度超過20 μm，出現(xiàn)魚骨狀組織，如圖6(a)所示。這些組織都靠近焊縫表層區(qū)域分布，成份上具有很高的Cr含量，基本確定為ZrCr2共晶組織。分析認為其由焊縫邊緣處受熱和攪拌作用較弱，Cr涂層熔化后無法與基材充分混合而局部富集形成。

圖6 焊縫表層特性Fig.6 The characteristics of weld surface

焊縫中的共晶組織和晶界的富Cr傾向使得焊縫裂紋敏感性增加，如圖6(b)所示，該顯微裂紋由焊縫表面產生，逐漸向焊縫內部擴展，長度約100 μm。裂紋擴展彎折，尖部沿著晶界的析出物，具有明顯的沿晶開裂特征。

2.4 顯微硬度

利用顯微硬度計對接頭硬度進行測定，結果如圖7所示。可以看出，非涂層接頭的熱影響區(qū)硬度與涂層接頭相比無明顯差異，基本保持160～220 Hv。但在焊縫區(qū)，涂層焊縫的硬度顯著增加，尤其當涂層厚度為15 μm，焊縫硬度出現(xiàn)異常增高，最大硬度達到299 Hv，表明Cr元素與焊縫金屬冶金化對焊縫硬度有顯著的強化作用。但結果同時顯示涂層厚度繼續(xù)增加，焊縫硬度反而表現(xiàn)出下降的情況，當Cr涂層為20 μm和25 μm時，焊縫硬度基本相近，維持在250 Hv左右。

圖7 接頭硬度Fig.7 The hardness of joints

3 結論

1)Cr涂層明顯降低焊縫熔深，造成未焊透缺陷，且隨著涂層厚度的增加，Cr元素在焊縫中的非均勻性分布明顯；

2)焊縫表面的富Cr層易出現(xiàn)微氣孔的缺陷，降低焊縫的致密性，水腐蝕條件下形成明顯微裂紋和表層脫落；

3)Cr元素熔入焊縫顯著提升焊縫硬度，但隨著涂層厚度的增加，Cr元素的大量偏聚形成低熔點的魚骨狀共晶組織，增大了焊縫的裂紋傾向；

4)Cr元素熔入焊縫對接頭性能產生明顯的惡化，采用GTAW應控制焊接區(qū)的Cr涂層的厚度或避免焊縫區(qū)涂敷Cr涂層。