（材料加工工程专业论文）690镍基合金焊带熔敷金属结晶裂纹敏感性研究.pdf

机械 学酽究院哈尔滨悍接研究所碜i - 学位论史 6 9 0 镍基合金焊带熔敷金属结晶裂纹敏感性研究 摘要 6 9 0 合金作为第四代压水堆用耐应力腐蚀材料。目前已逐步在国内外的核电 站中得到应用。其中，用于管板耐蚀层的6 9 0 合金焊带，目前国内尚无成熟产品， 国产化问题亟待解决。在6 9 0 合金焊带电渣堆焊过程中，结晶裂纹是发生最为普 遍和影响最为严重的缺陷之一。为解决6 9 0 合金焊带的结晶裂纹问题，本文采用 横向可调拘束试验方法，对不同合金体系6 9 0 合金焊带熔敷金属的结晶裂纹敏感 性进行了比较；研究了关键合金元素n b 、m n 对6 9 0 合金焊带熔敷金属结晶裂纹 敏感性的影响；采用光学电镜金相试验、扫描电镜断口试验及透射电镜金相试验 等分析方法，研究了熔敷金属的金相组织及裂纹断口，讨论了6 9 0 合金焊带熔敷 金属结晶裂纹的形成机理及n b 、m n 对该材料结晶裂纹的作用机制。 研究表明：在本研究范围内，a i & t i 体系6 9 0 焊带的结晶裂纹敏感性高于 m n & n b 体系6 9 0 焊带。随着n b 含量的增加，柱状晶界及枝晶间富n b 低熔点第 二相数量增加，结晶过程中焊缝金属的成分过冷度增大，奥氏体柱状晶粒粗化， 结晶裂纹敏感性增大；随着m n 含量的增加，n b 、s 、o 对6 9 0 合金结晶裂纹的 不利作用得到抑制，低熔点共晶相的形成倾向降低，结晶裂纹敏感性减小。6 9 0 合金焊接结晶裂纹的形成是基于“拉伸液膜”理论。结晶裂纹的形成与焊缝结晶 过程中的偏析有着密切的联系。 在本研究中，首次将可调拘束方法应用于镍基合金焊带进行结晶裂纹敏感性 研究。通过研究，优化了6 9 0 合金焊带的化学成分，其综合性能达到国外同类先 进产品水平，并符合工程应用技术条件的要求，为该类焊材今后的国产化提供了 试验依据和理论支持。 关键词：6 9 0 镍基合金结晶裂纹可调拘束试验n bm n 形成机理 机械l 学研究院哈尔滨焊接研究哥硕卜学位论史 i n v e s t i g a t i o no ns o l i d i f i c a t i o nc r a c k i n gs u s c e p t i b i l i t y o f6 9 0n i c k e l - b a s e ds t r i ps u r f a c i n gm e t a l a b s t r a c t t h e s e p e r i e d s ，a s t h en e w e s ts t r e s s - c o r r o s i o n - r e s i s t a n c em a t e r i a l ，6 9 0 n i c k e l b a s e da l l o yh a sb e e nm o r ea n d m o r eu s e di np r e s s u r i z e dw a t e rr e a c t o r ( p w r ) n u c l e a rp l a n t h o w e v e r , a st oc h i n a ，t h e6 9 0a l l o y w e l d i n gs t r i p su s e di nt h e c o r r o $ i o n r e s i s t a n c el a y e ro ft u b es h e e ti ns t e a mg e n e r a t o ra r em a i n l yf r o ma b r o a d ， t h eh o m e m a d ep r o d u c t so fw h i c ha r ei nu r g e n tn e e d s o l i d i f i c a t i o nc r a c k i n gi sa f r e q u e n ta n ds e r i o u sw e l d i n gd e f e c td u r i n g6 9 0a l l o ye l e c t r o - s l a gs u r f a c i n gp r o c e s s i no r d e rt os o l v et h es o l i d i f i c a t i o nc r a c k i n gp r o b l e m ，t r a n s v a r e s t r a i n tt e s tw a s a p p l i e d t o6 9 0 a l l o yw e l d i n gs t r i ps u r f a c i n gm e t a l s o l i d i f i c a t i o nc r a c k i n g s u s c e p t i b i l i t yo fd i f f e r e n ta l l o ys y s t e mw a sc o m p a r e d ，a n dt h e nt h ee f f e c t so fn ba n d m no nt h es o l i d i f i c a t i o nc r a c k i n gs u s c e p t i b i l i t yw e r ei n v e s t i g a t e d a n a l y t i cm e t h o d s i n c l u d i n go p t i c a lm i c r o s c o p em e t a l l o g r a p h ya n a l y s i s ，s e mf r a c t u r ea n a l y s i sa n d t e mm e t a l l o g r a p h ya n a l y s i sw e r e a p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h e m e c h a n i s ma n d i n f l u e n c i n gf a c t o r so fs o l i d i f i c a t i o nc r a c k i n gi n6 9 0a l l o ys u r f a c i n gm e t a l t h em a i n r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： a st ot h e6 9 0a l l o ys u r f a c i n gm e t a lr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s ，t h es o l i d i f i c a t i o n c r a c k i n gr e s i s t a n c eo fm n & n ba l l o ys y s t e mi sb e t t e rt h a nt h a to fa i & t ia l l o ys y s t e m w h e nt h ec o n t e n to fn bi n c r e a s e s ，t h eq u a n t i t yo fl o w - m e l t i n g p o i n te u t e c t i c p r e c i p i t a t e si n c r e a s e s ，a n dt h ed e g r e eo fc o m p o s i t i o n a ls u p e r c o o l i n go fw e l d i n gm e t a l i n c r e a s e s ，w h i c hi n c r e a s e st h ea u s t e n i t eg r a i ns i z e a sar e s u l t ，t h es o l i d i f i c a t i o n c r a c k i n gs u s c e p t i b i l i t yi n c r e a s e s w h e nt h ec o n t e n to fm ni n c r e a s e s n l ea d v e r s e e f f e c t so fn b ，sa n d0a r er e s t r a i n e dt os o m ee x t e n tb ym n t h u s ，t h ef o r m a t i o n t e n d e n c yo fl o w m e l t i n g p o i n te u t e c t i cp r e c i p i t a t e sd e c r e a s e s t h e r e f o r e ，t h e s o l i d i f i c a t i o nc r a c k i n gs u s c e p t i b i l i t yd e c r e a s e s t h es o l i d i f i c a t i o nc r a c k i n go f6 9 0 i l = 墨堕竺兰竺茎堕堕笙兰竺兰里圣竺翌兰竺堡苎 a l l o yw e l d i n gm e t a li sb a s e do nt h e “l i q u i df i l md r a w n t h e o r y t h es o l i d i f i c a t i o n c r a c k i n gi sc l o s e l yc o r r e l a t e dw i t ht h es e g r e g a t i o np r o c e s sd u r i n gw e l d i n g i nt h i st h e s i s ，v a r e s t r a i n tt e s tw a st h ef i r s tt i m ea p p l i e dt on i c k e l b a s e dw e l d i n g s t r i p t h er e s u l t sa b o v ee s t a b l i s hat e c h n i c a lb a s i st oo p t i m i z et h e6 9 0a l l o yw e l d i n g s t r i p t h eg e n e r a lp e r f o r m a n c e so f6 9 0a l l o yw e l d i n gs t r i po p t i m i z e dh a v er e a c h e d t h el e v e lo fh o m o g e n e o u sp r o d u c ta b r o a d ，t h er e s e a r c hr e s u l t so fw h i c hp r o v i d e p o w e r f u lb a s i st ot h el o c a l i z a t i o no f6 9 0a l l o yw e l d i n gs t r i p b oc h u n y u ( m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry a n gy u t i n g k e yw o r d s ：6 9 0n i c k e l b a s e da l l o y , t r a n s v a r e s t r a i n tt e s t ， s o l i d i f i c a t i o nc r a c k i n g ，n b ，m n ，c r a c k i n gm e c h a n i s m i l l 机械科学研究院哈尔滨焊接研究昕硕十学位论文 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 - 6 图3 1 图 图 图 图 2 3 4 5 图3 - 6 图 图 图 图 7 8 9 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 - 3 图4 4 图4 5 图4 6 插图清单 压水堆核电站原理示意图y 一2 蒸汽发生器管扳示意图2 结晶温度区间与结晶裂纹倾向1 0 纵、横向可调拘束试验示意图1 2 p v r 试验示意图1 2 s i g m a j i g 试验”1 2 t i g a m a 儿g 试验示意图1 4 几种镍基材料焊缝的结晶裂纹倾向比较1 6 h h r l 1 型可调拘束试验机2 5 横向可调拘束试验示意图2 5 结晶裂纹产生条件示意图2 6 焊道中结晶裂纹分布示意图”2 6 材料b t r 和c s t 的确定示意图2 7 待焊试板示意图”2 9 堆焊完成、待补焊试板示意图”3 0 焊后试板示意图一3 0 可调拘束试板示意图3 l 熔敷金属冷却曲线上的拐点3 3 光学电子显微镜3 3 s i r i o n 扫描电子显微镜3 3 不同6 9 0 合金体系材料m c l 关系示意图3 6 试验材料凝固点测量值与理论计算值对比3 6 h d6 9 0 a i t i 熔敷金属的c s t 曲线3 7 s o u d o t a p e6 9 0 熔敷金属的c s t 曲线3 7 h d 6 9 0 a 1 t i 与s o u d o t a p e6 9 0 熔敷金属cm m 的比较一3 8 h d 6 9 0 a 1 t i 与s o u d o t a p e6 9 0 熔敷金属m c l 的比较3 9 v i 机械 l 学研究皖呛尔滨悍接研究所硕十学位论文 图4 - 7h d6 9 0 a l t i 与s o u d o t a p e6 9 0 熔敷金属c s t 的比较”3 9 图4 8 氧化物的标准生成焓厶g o 与温度的关系一4 0 图5 1试验材料m c l e 关系示意图4 4 图5 2 试验材料凝固点测量值与理论计算值对比”4 5 图5 32 1 # 材料的c s t 曲线4 6 图5 42 2 撑材科的c s t 曲线4 6 图5 - 52 3 撑材料的c s t 曲线一4 7 图5 - 62 - 4 撑材料的c s t 曲线4 7 图5 72 5 撑材料的c s t 曲线4 8 图5 82 6 萍材料的c s t 曲线4 8 图5 - 9 裂纹萌生临界应变量与m n 、n b 的关系“5 0 图5 一l o 最大裂纹长度与n b 的关系”5 0 图5 - 1 1临界应变速率与n b 的关系5 1 图5 1 2 试验材料晶界析出物形貌5 2 图5 1 3高n b 含量试验材料晶界链状析出物处产生的裂纹一5 3 图5 1 4 试验材料晶内析出物数量对比5 4 图5 - 1 5 试验材料析出物t e m 电子能谱图5 5 图5 1 62 1 样材料裂纹断口照片5 6 图5 1 72 2 # 材料裂纹断口照片5 6 图5 1 82 3 撑材料裂纹断口照片5 7 图5 1 92 4 样材料裂纹断口照片5 7 图5 2 02 5 样材料裂纹断口照片5 8 图5 2 l2 6 撑材料裂纹断口照片5 8 图5 2 22 6 群材料断口晶界析出物形貌及其组成6 0 图5 - 2 32 - 6 撑材料断口低温段共晶物形貌及其组成6 l 图5 2 42 1 # 材料断口低温段点状析出物形貌及其组成t 6 2 图5 2 52 5 撑材料断口表面的白色薄膜及基体形貌和组成6 3 图5 2 6g ，r 和巳对焊缝结晶形态的影响6 5 图5 2 7“愈合”机制的产生过程6 6 t 机械辩学研究院哈尔演悍墙研究昕硕十学位论文 图5 2 8 图5 2 9 图5 3 0 图5 3 1 图5 3 2 图5 3 3 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 - 6 圈6 7 图6 8 图6 - 9 图6 1 0 图6 - 1 l 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 脆性温度区间内的m c l 与m n 的关系”6 8 c s t 与m n 的关系6 8 m n 对n b 偏析量的作用( n b 含量o o 5 ) “6 9 m n 对n b 偏析量的作用( n b 含量1 5 2 o ) 6 9 断口n b 的平均偏聚量同熔敷金属n b 含量的关系7 0 m n 对n b 偏析量的作用( n b 含量2 5 3 ，o ) 7 1 6 9 0 合金焊带熔敷金属裂纹断口宏观形貌7 4 6 9 0 合金焊带熔敷金属显微组织 ( 3 5 0x ) ”7 4 断口表面突起7 4 断口表面韧窝“7 4 6 9 0 合金焊带熔敷金属显微组织中的偏析情况7 5 单相奥氏体焊缝结晶裂纹的形成”7 6 n i c r - f e 三元相图”7 8 焊缝熔池中固液界面结晶参数成分过冷的分布7 8 6 9 0 合金焊带熔敷金属结晶裂纹宏观形貌( 2 0 ) 7 9 一端较钝另一端尖锐的裂纹全貌( 7 0 0 x ) 8 0 裂纹粗而钝的一端( 7 0 0 x ) “8 0 裂纹尖而细的一端( 1 7 5 ) 8 0 曲折的奥氏体晶界( 7 0 0 x ) 8 1 晶界曲折打破裂纹连续性( 7 0 0 x ) ”8 1 v i i i 机械科学研究院哈尔淳焊接研究昕硕十学位论文 表格清单 表2 - l6 0 0 合金的化学成分( ) 5 表2 - 26 9 0 合金的化学成分( ) 6 表2 3 国外6 9 0 合金焊带及电渣堆焊层化学成分( ) 8 表3 - 16 9 0 测试焊带成分列表( ) 2 3 表3 2 测试材料熔敷金属化学成分列表( ) 2 4 表3 - 3 测试材料综合性能数据列表( ) 2 4 表3 4 i n e o n e l6 9 0 ( 改进型) 焊带熔敷金属力学性能2 4 表3 5q 2 3 5 a 钢板化学成分( ) ”2 8 表3 - 6 带极堆焊工艺参数”2 9 表3 7 可调拘束试验t i g 焊接工艺参数3 l 表4 - l 试验材料化学成分( ) 3 5 表4 2 不同合金体系6 9 0 合金焊带m c l 试验数据3 5 表4 - 3 试验材料的理论凝固点与实测凝固点对比一3 8 表4 - 4 试验材料结晶裂纹评定指标3 8 表5 1 可调拘束试验熔敷金属化学成分( ) 4 2 表5 - 26 9 0 合金焊带化学成分范围( ) 4 3 表5 - 3 试验材料各应变下的m c l 试验数据4 3 表5 - 4 试验材料的凝固点测量值与理论计算值对比”4 9 表5 - 5 试验材料结晶裂纹敏感性试验数据r 4 9 表5 - 6 图5 1 5 中各析出相的能谱结果( ) 一5 5 表5 7 图5 2 2 的能谱结果( ) 6 4 表5 - 8 图5 2 3 的能谱结果( ) 6 4 表5 - 9 图5 2 4 的能谱结果( ) ”6 4 表5 1 0 图5 2 5 的能谱结果( ) 6 4 表5 1 l图5 3 0 中各点n b 含量( ) 6 9 表5 1 2图5 3 1 中各点n b 含量( ) 7 0 i x 机械科学研究院哈尔演焊接研究所研十学世论文 表5 1 3图5 3 3 中各点n b 含量( ) “ 表7 1h d6 9 0 焊带化学成分范围( ) “ 表7 - 26 9 0 合金焊带熔敷金属力学性能 x 盼 奶 机械羊4 学研览院哈尔演焊接研究所够 学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师宿歇下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 扭撼型堂婴究瞳 或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 涛畚雨 签字日期：刀口年孑月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 扭撼型堂班塞瞳 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权扭撼型堂班究暄可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ： 学位论文作者签名： 罨雨 导师签名 签字日期：2 印占年8 月o e t 签字日期 机械科学研究院啥尔演焊接研究所硕士学位论文 1 前言 本文是国家重点项目9 6 9 0 焊接材料与工艺研究的一部分，是 6 9 0 合金焊接材料开发及焊接性研究的重要组成部分。 能源产业是我国国民经济的基础，是制约我国经济持续、快速发 展的重要环节。目前我国的人均发电量远远低于发达国家及一些发展 中国家的水平。随着国民经济的发展，人民对生活水平和环保的要求 越来越高。因此。大力发展核能等清洁能源势在必行。 从世界范围来看，核电的应用已有近半个世纪的历史。目前世界 上已有3 0 个国家( 或地区) 共4 4 1 个核电机组正在运行，总装机容量 3 5 8 亿k w ，发电量占这3 0 个国家( 或地区) 总发电容量的1 6 【1 1 。 世界核电开发运行的实践证明，核能是一种安全、清洁、经济、可靠 的能源。用核电替代部分石化燃料发电，不但可以将石化燃料保留下 来长期使用，还有利于环境保护和燃料运输量的减少，对实施可持续 发展战略大有益处。正因为核电有多方面的优势和特点，不少发达国 家( 或地区) 和一些发展中国家( 或地区) 已把发展核电放在能源结 构调整的优先地位。 我国是较早拥有核技术的国家。截至2 0 0 6 年上半年，我国已建和 在建共6 个核电站1 1 个机组，另有多个核电基地正在建设中，但核电 装机总量仅占我国电力总装机容量的2 ，与世界平均水平相去甚远。 发展核电的意义不仅是优化能源结构，作为高科技的重要组成部分， 核电也是综合国力的重要体现。我国政府在2 0 0 6 年初出台的电力产 业发展政策中，已将核电发展政策由“适度发展”转为“积极推进”； 2 0 0 6 年3 月，我国政府通过了核电中长期发展规划( 2 0 0 5 - - 2 0 2 0 年) ，规划中明确指出：到2 0 2 0 年，我国核电装机总量将达到4 0 0 0 万千瓦，占电力装机总量的4 。规划的目标锁定在了核电体系的自 主化，并将“逐步实现先进压水堆核电站设计、制造、建设和运营自 机械科学研究院啥尔滨焊接研究所硕t 学位论文 主化”写进了“十一五”规划纲要。核动力设备的国产化将比以往具 有更加重要的意义。 压水反应堆( 图1 - 1 ) 具有结构紧凑、堆芯功率密度大、安全性 好、技术成熟等优点，是目前应用最为广泛的核电反应堆堆型之一。 蒸汽发生器管板( 图1 - 2 ) 作为其中的关键产品，制造工艺复杂，技 术要求极高，制造的质量直接影响反应堆运行的可靠性。 图1 1 压水堆核电站原理示意图图1 2 蒸汽发生器管板示意图 管板材料主要采用a 5 0 8 i i i 钢锻件，直径4 0 0 0 5 0 0 0 m m ，厚度 5 0 0 - - - ，6 0 0 m m t2 1 。由于管板起着隔离一回路与二回路的作用，一回路侧 长期接触带有放射性和腐蚀性的载热剂介质，故须在其底部全表面堆 焊1 0 1 2 m m 厚的高镍合金耐蚀层f 3 l 。过去管板耐蚀层材料主要采用 6 0 0 合金( 0 c r l 5 n i 7 5 f e ) ，但在2 0 世纪7 0 年代发现这类材料存在应 力腐蚀开裂( s t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n g ，以下简称s c c ) 现象。研究 表明，镍基合金中的c r 含量与其抵抗应力腐蚀开裂的能力有着直接的 关系。在人们寻找6 0 0 合金替代材料的过程中，发现c r 含量为3 0 2 机械科学研究院哈尔滨谭接研究所碜卜学位论史 左右的镍基合金在核辐射和纯水的环境中，具有最佳的抵抗应力腐蚀 开裂能力，由此于2 0 世纪7 0 年代开发出了c r 含量为3 0 的6 9 0 合 金( 0 c r 3 0 n i 6 0 f e l 0 ) 。6 9 0 合金具有优异的耐应力腐蚀性能，近年来， 一些工业先进的国家在核动力设备的制造和定期检修更换出现缺陷的 部件时，已将用6 0 0 合金制造的部件改为用6 9 0 合金制造。目前国内 使用的6 9 0 合金焊接材料主要依靠进口，该体系焊接材料的研发不仅 将提高核动力设备的制造质量和使用寿命，保证核动力设备的安全运 行，而且对于实现核电设备国产化更具有着重要的意义。 在6 9 0 合金管板带极堆焊过程中，堆焊金属的热裂纹敏感性大是 一个关键的问题。其中，发生最为普遍和影响最为严重的是结晶裂纹。 研究6 9 0 合金焊带熔敷金属的抗结晶裂纹性能，对该系列焊材的成分 设计与性能优化起着至关重要的作用。 基于上述出发点，本文针对6 9 0 合金焊带熔敷金属的结晶裂纹敏 感性，展开以下几个方面的试验研究工作： 1 ) 不同合金体系6 9 0 合金焊带熔敷金属结晶裂纹敏感性比较； 2 ) 关键合金元素对6 9 0 合金焊带熔敷金属结晶裂纹的影响； 3 ) 6 9 0 合金焊带熔敷金属结晶裂纹的形成机理与影响因素； 4 ) 6 9 0 合金焊带成分与性能优化。 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 2 国内外研究现状 核岛设备长期在高温高压及辐照等十分苛刻的条件下运行，要求 制造材料具有优异的耐腐蚀性能、良好的强度、高韧性、耐疲劳性能， 以确保核电站长期安全可靠运行。蒸汽发生器是压水堆核电站的关键 设备，其传热管和管板是最为薄弱的环节之一，应力腐蚀破裂等问题 十分突出。因此，蒸汽发生器用材料的研究生产和应用一直受到高度 重视。 镍基耐蚀材料是应用于核反应堆核岛主设备的关键材料。从核电 站的历史和发展趋势来看，镍基耐蚀材料在核容器中所占的比例在不 断增加，材料类型也在不断变化和改进。6 0 年代以来，蒸汽发生器耐 蚀材料多采用6 0 0 镍基合金或8 0 0 铁镍基合金( 0 0 c r 2 0 n i 3 2 f e ) ；近年 来，开始采用抗晶问腐蚀和应力腐蚀性能更好的6 9 0 镍基合金【4 1 。基 于核级设备的高安全性和高可靠性要求，以及镍基材料的可焊性较差 等因素，在我国核电站发展和核电设备的国产化过程中，镍基耐蚀材 料的焊接性是一个重要的研究方向。在该类材料的焊接中，结晶裂纹 敏感性高是存在最为严重的问题之一，结晶裂纹的存在与扩展将会对 设备的安全可靠运行造成危害，必须采取措施防止其产生。 2 1 蒸汽发生器用耐蚀材料的发展历程 核电蒸发器用耐蚀材料的发展主要如下几个阶段：核电发展初期 ( 1 9 6 8 年以前) ，世界各国主要采用1 8 8 型奥氏体不锈钢作为蒸汽发 生器传热管材料p 1 。在运行中，许多传热管相继发生了破裂事故，主 要原因是奥氏体不锈钢在含氯离子、溶解氧以及游离碱的高温水中对 应力腐蚀敏感而引起的。 为解决奥氏体不锈钢作为蒸发器传热管的应力腐蚀问题，世界各 国开始寻找能够替代奥氏体不锈钢的新型传热管材料。1 9 6 8 年以后， 美国和西欧的一些国家开始选择6 0 0 合金作为第二代耐应力腐蚀材 4 帆械 学研究院哈尔淳焊接研究昕碜士学位论文 料，代替1 8 8 不锈钢，在压水堆核电站中用于制造蒸发器传热管。6 0 0 合金的标准化学成分如表2 1 所示【6 1 。6 0 0 合金在高温含氯离子环境中 具有较好的耐应力腐蚀性能，但在高温水环境中易于产生晶间型应力 腐蚀开裂。七十年代以来，6 0 0 合金在实际核动力应用中暴露出了较 为严重的问题，如一回路侧高温高纯水和二回路苛性介质中的应力腐 蚀破裂，危及了核动力工程的安全可靠性及其效率。 表2 - 16 0 0 合金的化学成分( ) 用于核蒸发器时 法国、德国和瑞典等国认为，介于奥氏体不锈钢与6 0 0 合金之间 的8 0 0 合金，既耐氯离子应力腐蚀，又耐晶间型应力腐蚀。最早使用 8 0 0 合金作为传热管材料的电站是k w u 设计的德国s t a t e 电站1 7 j ，于 1 9 7 2 年投入商业运行，而我国秦山一期、三期以及援建巴基斯坦p c 工程也采用8 0 0 合金作为传热管材料。在运行过程中发现，8 0 0 合金 容易产生因蒸发器管板上泥渣沉积物的堆积而使管板上段的传热管管 壁均匀减薄的现象。 2 0 世纪7 0 年代，美国发展了耐应力腐蚀性能优良的6 9 0 合金， 该合金被认为是继1 8 8 不锈钢、6 0 0 合金、8 0 0 合金之后，用于压水 堆蒸发器的最佳耐应力腐蚀材料i s 】。自1 9 8 2 年起，作为第四代耐应力 腐蚀材料，6 9 0 合金已应用于压水堆核电站蒸发器上。由于该合金成 分处于应力腐蚀开裂免疫区，因此，目前世界各国的核电站都相继采 用它作为蒸发器耐蚀材料，我国的大亚湾核电站、岭澳核电站和秦山 二期核电站的蒸发器传热管材料也采用了6 9 0 合金1 9 , 1 0 1 。w a s l l l l 指出， 在美国被广泛用作蒸发器传热管的6 0 0 合金，对晶间浸蚀和晶间应力 腐蚀开裂有很高的敏感性，使反应堆一回路和二回路都遭受到了严重 的晶间开裂危害。而6 9 0 合金恰恰具有在各种水环境中不受应力腐蚀 机械科学研究院哈尔谈焊幸篑研究所硬十学位论史 开裂影响的特点。法国f r m a t o m e 已在新的设计中，采用6 9 0 合金 代替6 0 0 合金作为耐蚀材料m 1 。从目前的情况看，这将是一种趋势。 多数镍基合金的性能虽然已为人们所了解，但对6 9 0 合金的焊接 性研究还不多，特别是国内的研究就更少了。下面就6 9 0 合金母材、 焊材及该体系材料的焊接性进行介绍。 2 2 6 9 0 合金母材及同体系焊接材料 2 2 1 6 9 0 合金母材 6 9 0 合金是基于6 0 0 合金的改进，它主要针对6 0 0 合金镍含量高、 降低了碳在奥氏体中的溶解度、易产生晶间腐蚀和应力腐蚀的缺点， 将6 0 0 合金中的c r 含量提高，n i 含量降低，并进一步限制了c 含量， 使得6 9 0 合金在硝酸和氢氟酸等多种腐蚀介质和高温水中，都具有优 异的耐应力腐蚀能力，优于1 8 8 不锈钢、8 0 0 合金及6 0 0 合金，还具 有高的强度、良好的冶金稳定性和优良的加工特性。特别是在各种类 型的高温水中，6 9 0 合金显示出了低的腐蚀速率和优异的耐应力腐蚀 性能。对于核电站来说，这是一些理想的特性。6 9 0 合金的化学成分 如表2 2 所示。相对于6 0 0 合金而言，性能优异而成分并不复杂，是 6 9 0 合金的又一特点。 表2 - 26 9 0 合金的化学成分( ) 2 2 2 6 9 0 合金焊材 目前国内使用的6 9 0 合金焊接材料主要由国外进口，对该体系焊 材的研究相对较少，尤其是焊带的研究与开发，仍处于起步阶段，成 形的产品尚未出现。国外已得到成熟应用的6 9 0 合金焊带主要包括国 际超合金集团( s m c ) 的i n c o n e l6 9 0 、德国b o h l e r - t h y s s e n 集团的 s o u d o t a p e6 9 0 、瑞典s a n d v i k 公司的s a n i c r o6 9 h p 等几种。这几种焊 机械f l 学研究院哈尔滨焊接研究所硕十学位论文 带从成分体系上可分为两类：a i & t i 体系和m n & n b 体系。其中，i n c o n e l 6 9 0 焊带采用a l & t i 体系，m n 、n b 含量较低；s o u d o t a p e6 9 0 与s a n i e r o 6 9 h p 焊带采用的是m n & n b 体系，并有少量的a l 、t i 。 资料表明，i n c o n e l6 9 0 焊带的堆焊层金属化学成分曾发生变化， 2 0 0 0 年前的样本中，其堆焊层中不含n b ；2 0 0 0 年后的样本中，其堆 焊层中通过焊剂过渡的形式加入了1 2 左右的n b 。本文将前者定义 为i n c o n e l6 9 0 ( 初始型) ，后者定义为i n c o n e l6 9 0 ( 改进型) 。根据s m c 公司产品的堆焊层化学成分演变可以推测，该公司的6 9 0 合金焊带成 分有向m n & n b 体系演变的趋势。 对于蒸汽发生器管板镍基合金大面积堆焊，国内外主要采用多层 带极埋弧堆焊工艺，局部采用手工电弧焊补焊。秦山一期工程3 0 0 m w 蒸汽发生器管板堆焊采用的即为这种工艺，焊带牌号为s a n i e r o7 2 ， 规格为6 0x0 5 m m ，焊剂为o k l 0 1 6 。镍基合金带极埋弧堆焊存在的 问题是堆焊层的弧坑裂纹和搭接处的夹渣，要克服这些困难，采用新 的工艺是有效的手段。国外已逐步开始采用带极电渣堆焊工艺。 带极电渣堆焊工艺由于熔渣比重轻，易浮于熔融金属表面，无论 前一焊道上是否存在残渣，都不至于造成缺陷；而且，采用单层堆焊 即可满足堆焊层化学成分和耐蚀性能的要求，不仅节约了大量焊材， 也降低了成本，提高了生产效率，还具有焊后无需表面加工等优点。 与带极埋弧堆焊相比，这种工艺不是靠电弧热、而是靠熔渣电阻热熔 化焊带和母材，凝固后形成堆焊层；具有熔深浅、熔敷效率高、堆焊 金属纯净等优点，在国外耐蚀设备堆焊生产中得到了广泛的应用 1 2 , 1 3 】。 s o u d o t a p e6 9 0 、i n c o n e l6 9 0 焊带及与配套焊剂电渣堆焊的堆焊层 化学成分变化见表2 3 。 7 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕十学位论文 表2 3国外6 9 0 合金焊带及电渣堆焊层化学成分( ) 2 3 6 9 0 合金的焊接热裂纹 镍基耐蚀合金具有比较特殊的物理化学性能，如粘性较大、对杂 质的敏感性大等，焊接性较差，其中最主要的问题之一是焊缝金属热 裂纹敏感性大，这已成为镍基耐蚀合金母材及焊材研究的关键之所在。 镍基耐蚀合金中可能出现的热裂纹可分为四类：结晶裂纹、液化 裂纹、高温失塑裂纹和多边化裂纹。其中，在6 9 0 焊带电渣堆焊过程 中，结晶裂纹问题是影响最为严重的。本文将对6 9 0 合金焊带堆焊过 程中产生的结晶裂纹问题进行深入研究。 8 机械 l 学研究院哈尔滨悍接研究昕硕卜学位论文 2 3 1 结晶裂纹 2 3 1 1 研究历程 1 9 6 0 年，b o r l a n d t l 4 i 提出焊接热裂纹可能发生在固相线以上温度 ( 超固相线裂纹) 或固相线以下温度( 亚固相线裂纹) 。1 9 6 9 年， h e m s w o r t h 等 1 将焊接热裂纹分类为结晶裂纹和液化裂纹。其中，焊 缝金属结晶裂纹被认为是发生最广泛、影响最严重的焊接热裂纹。随 着新型镍基耐蚀材料的不断推出及其在焊接场合作为母材和焊材的应 用，近几十年关于镍基材料焊接结晶裂纹的研究也不断深入。 2 3 1 2 定义 从金属结晶学理论可知，先结晶的金属较纯，后结晶的金属含杂 质较多，并富集在晶界。一般来讲，这些杂质所形成的共晶物都具有 较低的熔点。在焊缝金属凝固过程后期，低熔点共晶物被排挤在柱状 晶交遇的中心部位，这时该处成为了焊缝中的薄弱地带。在拉应力的 作用下就有可能在这个薄弱地带开裂而形成热裂纹，这种热裂纹称为 结晶裂纹。 2 3 1 3 形成机理 关于结晶裂纹的形成机理，研究者们提出了几种不同的观点，主 要包括：拉伸液膜理论、剪切液膜理论、收缩脆性理论和应变理论等 几种16 1 。 2 - 3 1 3 1 拉伸液膜理论 b o r l a n d i h l 于1 9 6 0 年提出，焊缝金属结晶过程可分为四个阶段( 如 图2 。1 所示) ，结晶裂纹产生于第三阶段，这个阶段的晶界液膜分布形 态影响结晶裂纹敏感性，其分布形态取决于t 值，如公式2 一l 所示： 弘k y s s 南9 p n t r 里、 9 ( 2 - 1 ) 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 成分 l 一自由结晶区2 一接触生长结晶区3 一临界结晶区4 一固相区 图2 - 1结晶温度区间与结晶裂纹倾向 式中：7s l 为固液相界面能，s s 为晶界能，0 为润湿角。当t o 5 时，液膜几乎覆盖在整个晶粒表面，链接相邻晶粒的狭窄故态桥上形 成高应力，裂纹敏感性很大。当t = o 5 o 5 7 时，液膜以连续的网状 形式存在于晶粒边界，此时裂纹敏感性仍很大。当t 0 5 7 时，液膜 只存在于晶粒角上，此时裂纹敏感性很小。 这一理论的最新发展认为：裂纹的形式可包括固态桥的断裂或是 连续液膜的分离。当裂纹确实启裂时，裂纹很容易地沿着由液膜的断 面收缩造成的通道扩展，认为横跨晶界作用的应变量起主要作用。 2 3 1 3 2 剪切液膜理论 p r o k h o r o v e l 7 i 认为，裂纹是通过晶间液膜受剪切形成的，这一过程 对应变速率是敏感的。在产生裂纹的脆性温度区间内，焊缝金属具有 一定的塑性，能够通过局部剪切吸收部分应变。但是，如果应变速率 过大，则焊缝可能沿晶界液膜开裂并形成结晶裂纹。a r a t a 1 8 1 又进一步 机碓料学研究院哈尔演焊接研究所硕十学位论文 发展了p r o k h o r o v 理论，认为：在脆性温度区间上限温度附近启裂， 而在下限温度会迅速扩展到迁移界，裂纹可能在晶界沿液膜扩展。 2 3 1 3 3 收缩脆性理论 。 该理论认为【i7 】：树枝晶在结晶过程中彼此接触，相互联结形成一 种半刚性的网状组织，在连续冷却时收缩应变的发展引起树枝晶的开 裂。如果残留液体不足以治愈这些裂纹，则裂纹就会保留下来。这是 早期的解释，易于理解，但难于解释清楚以下现象：焊缝结晶必定经 过半刚性状态，并存在收缩应变，按此理论的推导，如果没有残留液 体的愈合作用，则裂纹一定存在，这与实际情况不符。 2 3 1 3 4 应变集中理论 该理论认为【1 4 】：焊缝金属的应变集中到桥接点处，桥接点处的形 变只能靠桥接处金属的流变来适应。如果应变集中超出焊缝金属的塑 性储备，那么裂纹将在桥接处萌生。然而在这一过程中，晶间液相还 可以在固相晶体的骨架间自由流动，所以在桥接处萌生的裂纹源，都 可由固相间能自由流动的液相金属填塞愈合。 关于6 9 0 合金焊接结晶裂纹的形成机理，多