一種核島主設(shè)備用抗裂紋缺陷鎳基焊絲及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種焊接材料，具體為一種具有較好高溫抗拉強(qiáng)度的核島主設(shè)備 用抗裂紋缺陷鎳基焊絲。
【背景技術(shù)】
[0002] 二十世紀(jì)五十年代，最初的蒸汽發(fā)生器采用Inconel 600合金作為傳熱管材料， 所以管板采用ERNiCr-3焊材（Inconel 82)堆焊，同樣亦采用ERNiCr-3焊材進(jìn)行傳熱管與 堆焊層的焊接。但后來在上述焊縫中發(fā)現(xiàn)晶間應(yīng)力腐蝕裂紋（IGSCC)，所以開始研制新的 傳熱管材料，經(jīng)過一段時(shí)間的研究，二十世紀(jì)八十年代，開始采用Inconel 690合金作為傳 熱管材料，并采用ERNiCrFe-7 (Inconel 52)焊材進(jìn)行堆焊和焊接。這種材料的含鉻量達(dá) 到30%左右，所以有效地避免了晶間應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。但近年來，美國(guó)海軍在Inconel 52的焊縫中又發(fā)現(xiàn)了一種稱為DDC的缺陷。后來經(jīng)過進(jìn)一步的探索，在Inconel 52的基 礎(chǔ)上加入了鈮、硼和鋯等元素，開發(fā)了一種新的改進(jìn)型焊接材料，稱為Inconel 52M焊絲或 Inconel 152M焊條，基本上解決了低塑性開裂以及角焊縫根部開裂等問題。但是Inconel 52M焊絲焊態(tài)熔敷金屬350°C高溫抗拉強(qiáng)度只能大于480MPa，無法滿足第三代核電設(shè)計(jì)要 求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有較好高溫抗拉強(qiáng)度的核島主設(shè)備用抗裂紋缺陷 鎳基焊絲。本發(fā)明的目的還在于提供一種核島主設(shè)備用抗裂紋缺陷鎳基焊絲的制備方法。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0005] 本發(fā)明的核島主設(shè)備用抗裂紋缺陷鎳基焊絲的重量百分比組成為C:〈0. 04%、 Si:0. 10-0. 20 %, Mn:0. 6-1. 0 %, S:<0. 003 %, P:<0. 003 %, S+P:<0. 005 %, Cr:28. 0-31. 5%、Mo:〈0. 01 %、Cu:〈0. 05%、Nb:0. 6-1. 0%、Ti:0. 4-0. 9%、A1:〈0. 50%、 Fe:8. 5-10. 5%、Ca:〈0. 005%、Mg:〈0. 005%、0:〈0· 005%、N:0. 20-0. 40%、B:〈0. 001 %、 Zr:〈0. 005%、Ta:〈0. 02%和余量的Ni，其他雜質(zhì)元素總和〈0· 10%。
[0006] 本發(fā)明的核島主設(shè)備用抗裂紋缺陷鎳基焊絲的優(yōu)選方式為：Mn含量為 0· 7-0. 9 %、Nb 含量為 0· 7-0. 9 %。
[0007] 本發(fā)明的核島主設(shè)備用抗裂紋缺陷鎳基焊絲的制備方法為：
[0008] (1)按重量百分比計(jì)，使用真空熔鑄爐冶煉或者電爐加爐外精煉方法冶煉制備得 到如下組成的母合金鋼坯，
[0009] C:〈0· 04 %、Si:0. 10-0. 20 %、Μη:0· 6-1. 0 %、S:〈0. 003 %、Ρ:〈0· 003 %、 S+P:〈0. 005%、Cr :28. 0-31. 5%、Mo:〈0. 01%、Cu:〈0. 05%、Nb:0. 6-1. 0%、Ti :0. 4-0. 9%、 Α1:〈0· 50%、Fe:8. 5-10. 5%、Ca:〈0. 005%、Mg:〈0. 005%、0:〈0· 005%、Ν:0· 20-0. 40%、 Β:〈0· 001%、Zr:〈0. 005%、Ta:〈0. 02%和余量的 Ni，其他雜質(zhì)元素總和〈0· 10% ;
[0010] (2)將母合金鋼錠進(jìn)行常規(guī)的鍛造、乳制，然后經(jīng)過多道次冷拉及在線退火，清洗 處理后形成焊絲。
[0011] 本發(fā)明提供了一種具有較好高溫抗拉強(qiáng)度的核島主設(shè)備用抗裂紋缺陷鎳基焊絲 及其制備方法。本發(fā)明的焊絲屬于適用于核島主設(shè)備焊接（包括壓力容器驅(qū)動(dòng)管座、接管 安全端、堆芯支承塊、蒸汽發(fā)生器管板堆焊以及管子與管板的焊接）的鎳基焊絲。本發(fā)明解 決了目前焊絲熔敷金屬焊態(tài)350°c高溫抗拉強(qiáng)度無法穩(wěn)定大于505MPa及在現(xiàn)場(chǎng)焊接等苛 刻條件下容易出現(xiàn)裂紋缺陷的問題。
[0012] 通過我們的研究當(dāng)N含量保持在0. 20-0. 40 %范圍內(nèi)，Ti:含量保持在0. 5-0. 9% 范圍內(nèi)，Mn:含量保持在0. 7-0. 9%范圍內(nèi)，Nb:含量保持在0. 7-0. 9%范圍內(nèi)時(shí)，焊態(tài)熔敷 金屬350°C高溫抗拉強(qiáng)度能夠穩(wěn)定大于505MPa，距離堆焊試板端面3. 2mm位置的裂紋數(shù)量 由30減小到3,說明690焊絲恪敷金屬中合理優(yōu)化N、Ti、Mn、Nb元素的配比能夠改善材料 的350°C高溫抗拉強(qiáng)度。同時(shí)Nb在鎳基合金中是固溶強(qiáng)化元素，又是時(shí)效強(qiáng)化元素，在焊縫 中能提高原子間結(jié)合力，穩(wěn)定焊縫，Nb是強(qiáng)碳化物析出元素，能夠在晶界和晶內(nèi)形成MC型 析出物，影響焊絲熔敷金屬晶界的迀移和滑移，因此會(huì)對(duì)材料的高溫低塑性裂紋敏感性產(chǎn) 生影響，并且提高熔敷金屬抵抗高溫變形的能力。N是強(qiáng)烈形成并穩(wěn)定奧氏體組織的元素， 又是強(qiáng)烈形成氮化物的元素，會(huì)與鎳基合金中其他元素形成氮化物，如（Cr2N、TiN、VN、AlN 等），有固溶強(qiáng)化和提高淬透性的作用，但均不太顯著。由于氮化物在晶界上析出，提高晶界 高溫強(qiáng)度，從而增加材料的蠕變強(qiáng)度。N還可以提高鎳基合金的耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能。
[0013] 以下是焊絲中各個(gè)元素的作用以及使用這些元素處于成分控制范圍內(nèi)的原因。
[0014] C在奧氏體鎳基合金中的溶解度很小，當(dāng)合金從固溶溫度冷卻下來時(shí)，C處于過飽 和狀態(tài)，收到敏化處理時(shí)，C和Cr形成碳化物（主要為（Cr, Fe) 23(：6型）在晶界析出，會(huì)導(dǎo)致 晶界處貧Cr,降低熔敷金屬的抗晶間腐蝕能力，因此需要對(duì)C含量加以限制，C含量應(yīng)控制 在0. 04%以下。
[0015] Si即可作為合金元素，又存在有害作用。首先，Si可以作為脫氧劑，參加脫氧反 應(yīng)，少量的Si能夠改善TIG焊的工藝性，增加液態(tài)金屬的浸潤(rùn)性，改善焊道成形，另外Si還 能提高材料的強(qiáng)度；但另一方面，Si能夠形成低熔點(diǎn)共晶物，增加熱裂紋敏感性，因此在合 金設(shè)計(jì)時(shí)要考慮Si的因素。本發(fā)明設(shè)計(jì)Si的含量可控制在0. 1-0. 2%之間。
[0016] Mn的加入有利于鎳基耐蝕合金的抗結(jié)晶開裂性能。一方面，Mn優(yōu)先與S結(jié)合形成 MnS(熔點(diǎn)1610°C )，減小S形成低熔點(diǎn)共晶物（如：Ni-Ni3S2熔點(diǎn)645°C )的傾向，使得奧 氏體-硫化物共晶溫度提高；另一方面，增加固液相表面能，減小晶界低熔點(diǎn)共晶液膜形成 的可能性，抑制了 S、P的不利作用，從而降低熔敷金屬結(jié)晶裂紋形成傾向。
[0017] Al、Ti在鎳基合金母材中的主要作用為改善合金性能提高合金的強(qiáng)度。而在鎳基 焊縫中Al、Ti有脫氧作用，也可以通過固溶和析出強(qiáng)化，提高強(qiáng)度。合金元素與氧的親和 力越強(qiáng)，焊接過程中該元素的氧化燒損比例越大，過渡系數(shù)越小，Al、Ti對(duì)氧親和力較強(qiáng)，在 焊接過程中存在燒損，隨著Al、Ti含量的增加，焊接過程中Al、Ti的燒損量也增加，而焊縫 中氧含量卻一直保持在一個(gè)較低值。Al、Ti的燒損量增加，焊縫中形成的Al、Ti氧化物也 增多，Al、Ti的氧化物與雜質(zhì)元素 Ca、Mg形成的氧化物聚集長(zhǎng)大，因焊縫中的氧化物增多 焊縫熔池的流動(dòng)性變差，這些聚集長(zhǎng)大后的氧化物顆粒就不容易浮出熔池，最終殘留在焊 縫中或焊縫表面形成點(diǎn)狀缺陷。同時(shí)，Al、Ti的燒損削弱了其強(qiáng)化焊縫的作用，Al控制在 0· 1-0. 3%，Ti 控制在 0· 5-0. 7%。
[0018] S是Ni基合金中有害元素。鎳基合金中S的溶解度很小，極易形成晶界偏析，產(chǎn)生 低熔點(diǎn)共晶的硫化物，偏析于晶界，在熱應(yīng)變的作用下形成晶界開裂，即結(jié)晶裂紋。應(yīng)嚴(yán)格 控制，盡可能的降低其含量，該發(fā)明中控制S含量〈0. 003%。
[0019] P對(duì)鎳基合金的影響與S、Pb相似，它在合金中雖含量很少，但不能低估它的有害 作用，P在合金中主要是與Ni形成低熔點(diǎn)共晶物，偏析于晶界，增大半熔化區(qū)寬度，促使裂 紋傾向增大，所以，P在鎳基合金中含量必須控制在最低限度，S+P總含量要小于0. 005%。
[0020] Zr在母合金中偏聚到晶界，減少晶界缺陷，提高晶界結(jié)合力，降低晶界擴(kuò)散速率， 從而減緩位錯(cuò)攀移，強(qiáng)化晶界，同時(shí)，Zr偏聚于晶界，降低界面能，改變晶界的形態(tài)，減小 晶相的尺寸，但在焊縫中，Zr與0的結(jié)合能力強(qiáng)而容易被氧化燒損，且Zr和B極易引起結(jié) 晶裂紋，將焊接材料中的Zr含量控制在0. 005%以下，B含量控制在0. 001 %以下。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明Ca、Mg是特別需要控制的合金元素，其含量與點(diǎn)狀缺陷的控制密切相 關(guān)，目前焊絲在現(xiàn)場(chǎng)焊接過程中容易出現(xiàn)這中點(diǎn)狀缺陷，又沒有好的控制方法，原因是其 將Ca、Mg僅當(dāng)做一般的雜質(zhì)元素控制，Ca、Mg與氧的結(jié)合能力非常強(qiáng)，形成的CaO和MgO 容易和焊接過程中的脫氧產(chǎn)物Al2O3和TiO 2聚集長(zhǎng)大形成夾雜物殘留在焊縫中形成點(diǎn)狀缺 陷，缺陷主要是Ca、