一種核島主設備用抗裂紋缺陷鎳基焊絲及制備方法
【技術領域】
[0001] 本發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度的核島主設備 用抗裂紋缺陷鎳基焊絲。
【背景技術】
[0002] 二十世紀五十年代，最初的蒸汽發生器采用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焊材進行傳熱管與 堆焊層的焊接。但后來在上述焊縫中發現晶間應力腐蝕裂紋（IGSCC)，所以開始研制新的 傳熱管材料，經過一段時間的研究，二十世紀八十年代，開始采用Inconel 690合金作為傳 熱管材料，并采用ERNiCrFe-7 (Inconel 52)焊材進行堆焊和焊接。這種材料的含鉻量達 到30%左右，所以有效地避免了晶間應力腐蝕裂紋的產生。但近年來，美國海軍在Inconel 52的焊縫中又發現了一種稱為DDC的缺陷。后來經過進一步的探索，在Inconel 52的基 礎上加入了鈮、硼和鋯等元素，開發了一種新的改進型焊接材料，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焊絲焊態熔敷金屬350°C高溫抗拉強度只能大于480MPa，無法滿足第三代核電設計要 求。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種具有較好高溫抗拉強度的核島主設備用抗裂紋缺陷 鎳基焊絲。本發明的目的還在于提供一種核島主設備用抗裂紋缺陷鎳基焊絲的制備方法。
[0004] 本發明的目的是這樣實現的：
[0005] 本發明的核島主設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，其他雜質元素總和〈0· 10%。
[0006] 本發明的核島主設備用抗裂紋缺陷鎳基焊絲的優選方式為：Mn含量為 0· 7-0. 9 %、Nb 含量為 0· 7-0. 9 %。
[0007] 本發明的核島主設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，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，其他雜質元素總和〈0· 10% ;
[0010] (2)將母合金鋼錠進行常規的鍛造、乳制，然后經過多道次冷拉及在線退火，清洗 處理后形成焊絲。
[0011] 本發明提供了一種具有較好高溫抗拉強度的核島主設備用抗裂紋缺陷鎳基焊絲 及其制備方法。本發明的焊絲屬于適用于核島主設備焊接（包括壓力容器驅動管座、接管 安全端、堆芯支承塊、蒸汽發生器管板堆焊以及管子與管板的焊接）的鎳基焊絲。本發明解 決了目前焊絲熔敷金屬焊態350°c高溫抗拉強度無法穩定大于505MPa及在現場焊接等苛 刻條件下容易出現裂紋缺陷的問題。
[0012] 通過我們的研究當N含量保持在0. 20-0. 40 %范圍內，Ti:含量保持在0. 5-0. 9% 范圍內，Mn:含量保持在0. 7-0. 9%范圍內，Nb:含量保持在0. 7-0. 9%范圍內時，焊態熔敷 金屬350°C高溫抗拉強度能夠穩定大于505MPa，距離堆焊試板端面3. 2mm位置的裂紋數量 由30減小到3,說明690焊絲恪敷金屬中合理優化N、Ti、Mn、Nb元素的配比能夠改善材料 的350°C高溫抗拉強度。同時Nb在鎳基合金中是固溶強化元素，又是時效強化元素，在焊縫 中能提高原子間結合力，穩定焊縫，Nb是強碳化物析出元素，能夠在晶界和晶內形成MC型 析出物，影響焊絲熔敷金屬晶界的迀移和滑移，因此會對材料的高溫低塑性裂紋敏感性產 生影響，并且提高熔敷金屬抵抗高溫變形的能力。N是強烈形成并穩定奧氏體組織的元素， 又是強烈形成氮化物的元素，會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 高溫強度，從而增加材料的蠕變強度。N還可以提高鎳基合金的耐點蝕和縫隙腐蝕性能。
[0013] 以下是焊絲中各個元素的作用以及使用這些元素處于成分控制范圍內的原因。
[0014] C在奧氏體鎳基合金中的溶解度很小，當合金從固溶溫度冷卻下來時，C處于過飽 和狀態，收到敏化處理時，C和Cr形成碳化物（主要為（Cr, Fe) 23(：6型）在晶界析出，會導致 晶界處貧Cr,降低熔敷金屬的抗晶間腐蝕能力，因此需要對C含量加以限制，C含量應控制 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，少量的Si能夠改善TIG焊的工藝性，增加液態金屬的浸潤性，改善焊道成形，另外Si還 能提高材料的強度；但另一方面，Si能夠形成低熔點共晶物，增加熱裂紋敏感性，因此在合 金設計時要考慮Si的因素。本發明設計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晶開裂性能。一方面，Mn優先與S結合形成 MnS(熔點1610°C )，減小S形成低熔點共晶物（如：Ni-Ni3S2熔點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化，提高強度。合金元素與氧的親和 力越強，焊接過程中該元素的氧化燒損比例越大，過渡系數越小，Al、Ti對氧親和力較強，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的氧化物與雜質元素 Ca、Mg形成的氧化物聚集長大，因焊縫中的氧化物增多 焊縫熔池的流動性變差，這些聚集長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狀缺陷。同時，Al、Ti的燒損削弱了其強化焊縫的作用，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，產生 低熔點共晶的硫化物，偏析于晶界，在熱應變的作用下形成晶界開裂，即結晶裂紋。應嚴格 控制，盡可能的降低其含量，該發明中控制S含量〈0. 003%。
[0019] P對鎳基合金的影響與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形成低熔點共晶物，偏析于晶界，增大半熔化區寬度，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，提高晶界結合力，降低晶界擴散速率， 從而減緩位錯攀移，強化晶界，同時，Zr偏聚于晶界，降低界面能，改變晶界的形態，減小 晶相的尺寸，但在焊縫中，Zr與0的結合能力強而容易被氧化燒損，且Zr和B極易引起結 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] 根據本發明Ca、Mg是特別需要控制的合金元素，其含量與點狀缺陷的控制密切相 關，目前焊絲在現場焊接過程中容易出現這中點狀缺陷，又沒有好的控制方法，原因是其 將Ca、Mg僅當做一般的雜質元素控制，Ca、Mg與氧的結合能力非常強，形成的CaO和MgO 容易和焊接過程中的脫氧產物Al2O3和TiO 2聚集長大形成夾雜物殘留在焊縫中形成點狀缺 陷，缺陷主要是Ca、