[发明专利]一种防止焊接裂纹的核电用镍基合金焊丝的成分设计方法、核电用镍基合金焊丝

说明书

本发明提供了一种防止焊接裂纹的核电用镍基合金焊丝的成分设计方法、核电用镍基合金焊丝，涉及焊接材料技术领域。本发明通过控制显微组织Laves相的体积百分比防止结晶裂纹，比通过控制化学成分防止结晶裂纹更直接、更有效。采用本发明提供的设计方法能够同时防止结晶裂纹和抗高温失塑裂纹，解决三代核电主设备镍基合金焊接裂纹问题。

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，具体涉及一种防止焊接裂纹的核电用镍基合金焊丝的成分设计方法、核电用镍基合金焊丝。

背景技术

镍基合金裂纹敏感性高，容易产生焊接裂纹，特别是高温失塑裂纹和结晶裂纹。防止裂纹一直是三代核电装备制造用镍基合金焊接材料研制的重点，也是技术难点。三代核电装备制造用镍基合金焊接材料主要是690合金焊接材料，其高温失塑裂纹敏感性较高。高温失塑裂纹是尺寸较小的内部缺陷，现行无损检测技术难以发现，给核电装备的制造质量和安全运行带来了隐患。国内外核电装备在制造、运行阶段曾多次发现过690合金高温失塑裂纹，对核电主设备的质量和安全运行产生了重大影响，在工程中防止690镍基合金高温失塑裂纹至今仍是核电行业关注的重点。

核电工程最先使用的690合金焊丝为ASME SFA-5.14 ERNiCrFe-7焊丝，其化学成分(质量含量)为：C≤0.04％，Mn≤1.0％，Fe：7.0-11.0％，P≤0.02％，S≤0.015％，Si≤0.50％，Cu≤0.30％，Al≤1.1％，Ti≤1.0％，Cr：28.0-31.5％，Nb+Ta≤0.10％，Mo≤0.50％，Al+Ti≤1.5％，其它≤0.50％。因其具有较高的高温失塑裂纹敏感性，目前的应用数量很小。

ASME SFA-5.14 ERNiCrFe-7A焊丝是目前国内外核电装备制造大规模应用的唯一690合金焊丝，其化学成分(质量含量)为：C≤0.04％，Mn≤1.0％，Fe：7.0-11.0％，P≤0.02％，S≤0.015％，Si≤0.50％，Cu≤0.30％，Co≤0.12％，Al≤1.1％，Ti≤1.0％，Cr：28.0-31.5％，Nb+Ta：0.5-1.0％，Mo≤0.50％，Al+Ti≤1.5％，B≤0.005％，Zr≤0.02％，其它≤0.50％。与ERNiCrFe-7焊丝相比，ERNiCrFe-7A焊丝主要有两个特点，其一，通过添加一定数量的Nb，增加了晶界析出物的数量，提高了抗高温失塑裂纹能力；其二，添加一定数量的B、Zr改善晶界强度，提高抗高温失塑裂纹能力。

三代核电装备对镍基合金焊接技术提出了更高的要求，其特点是核电主设备的结构厚度增大，焊接接头拘束增加，产生焊接裂纹的几率提高。在有些条件下，ERNiCrFe-7A焊丝存在抗高温失塑裂纹能力不足的问题，增加了装备制造的难度和质量稳定性。

作为防止高温失塑裂纹的现有技术，中国专利CN101144130A提出了一种堆焊件和对应的焊接材料，堆焊焊缝化学成分(质量含量)为：Cr：28.5-31.0％，Fe：7.0-10.5％，Mn＜1.0％，Nb+Ta：2.1-4.0％，Mo：3.0-5.0％，Si＜0.50％，Ti：0.01-0.35％，Al≤0.25％，Cu＜0.20％，W＜1.0％，Co＜0.12％，Zr＜0.10％，S＜0.01％，B＜0.01％，C＜0.03％，P＜0.02％，Mg+Ca：0.002-0.015％，余量Ni和附带的杂质。这项专利解决了ERNiCrFe-7A焊丝“在不利的焊缝形状和非常高的热输入下，发现的偶见高温失塑裂纹”问题。这项专利通过大幅提高Nb+Ta含量，添加较多数量的Mo，提高晶界强度、增加析出物数量，形成弯曲晶界，进一步改善了焊缝抗高温失塑裂纹的能力。专利提供的STF试验结果说明了实施例对防止高温失塑裂纹的有效性。但是，STF试验只是高温失塑裂纹敏感性试验，其结果不能用于评价结晶裂纹敏感性，且该专利也没有说明实施例的结晶裂纹敏感性大小。事实上，由于这项专利提高了Laves相形成元素的含量，增加了结晶裂纹敏感性，在核电装备焊接的条件下可能产生结晶裂纹，没有真正解决核电工程用镍基合金焊接裂纹(结晶裂纹)问题。

为了满足我国核电装备自主创新的发展需求，需要研制不仅能够防止高温失塑裂纹，也能够防止结晶裂纹的核电用镍基合金焊丝。