[发明专利]一种低活化马氏体钢熔化焊用填充焊丝及使用方法

说明书

技术领域

本发明属于新型焊接材料领域，特指一种低活化马氏体钢熔化焊用填充焊丝，主要用于聚变堆新型结构材料——中国低活化马氏体钢（China Low Activation Martensitic，CLAM）结构的焊接。

背景技术

核聚变能是一种“清洁”能源，被认为是满足人类未来能源需要的潜在技术。聚变堆结构材料一般采用低活化铁素体/马氏体钢（Reduced Activation Ferritic/ Martensitic, RAFM），这类材料以铁、铬为主要成分，用W、Ta、V代替Mo、Nb、Ni来达到低活化的效果，保证聚变能源为清洁能源；中国开发出了具有中国自主知识产权，成分及性能优化的低活化铁素体/马氏体钢——中国低活马氏体钢，即CLAM钢（China Low Activation Martensitic），由于CLAM钢具有较低的辐照肿胀和热膨胀系数、较高的热导率等优良的热物理、力学性能，以及相对较为成熟的技术基础，因此被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料。

焊接技术与工艺是关系到CLAM钢能否走向实际应用的关键问题之一，国内外学者对于聚变堆结构材料的焊接进行过许多研究，尝试过多种焊接方法，如热等静压焊（HIP）、电子束焊（EBW）、激光焊（LBW）、钨极氩弧焊（TIG）等，但是焊件中存在着某些问题，主要表现在：（1）焊缝中晶粒严重粗大，其尺寸约为母材晶粒的20倍以上，从而制约了焊接接头力学性能的提高；（2）焊缝组织中容易出现许多块状δ铁素体，据J.Onoro研究发现块状δ铁素体的产生不但削弱了焊缝的强度和硬度，更提高了结晶裂纹产生倾向，促进θ相析出，降低高温蠕变韧性，从而严重影响焊缝的耐高温和抗辐照肿胀等性能；另外热等静压扩散焊接在接头接触表面容易形成一层稳定的氧化层，焊接过程中难以通过高温扩散消除，影响了接头的冲击性能。

因此，本专利发明一种适用于CLAM钢熔化焊的填充焊丝以提高焊缝的力学性能和耐高温、抗辐照肿胀等性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种成分简单、制备方便，应用于CLAM钢熔化焊的焊丝，以抑制焊缝晶粒长大，并减少或消除焊缝中出现的块状δ铁素体，从而提高焊缝的力学性能和耐高温、耐腐蚀、抗辐照肿胀等性能。

一种低活化马氏体钢熔化焊用填充焊丝，其特征在于：所述焊丝的成份按照质量百分比计算：P≤0.003%；S≤0.003%，C≤0.12%，Cr9~12%，W1.2~2.5%，Ta 0.3~0.8%，Mn0.3~0.5%，Y0.2~0.6%，余量为Fe。

本发明中焊接材料化学成分范围的确定依据及原因如下：

必须严格控制焊接材料中的含碳量，焊缝中含碳量增加时会提高焊缝的韧脆转变温度，每增加0.01%C，韧脆转变温度约升高4℃，大颗粒的碳化物呈网状分布时会导致脆性断裂，为降低韧脆转变温度点，应严格控制焊接材料中的含碳量；考虑到TIG焊时温度高，且高温停留时间长，碳元素会发生烧损等问题，因此将焊接材料中含碳量控制在0.12%以下。

焊缝中加入9%左右的铬可以减少δ铁素体生成，提高焊缝的高温抗蠕变强度和抗辐照肿胀性能，因此将其列为本焊接材料的主要添加元素，而且铬固溶于铁中可以提高钝化能力，并赋予焊缝良好的耐腐蚀性，但是，铬含量过高，将显著增加淬火、回火条件下的稳定铁素体含量，降低焊缝的硬度和抗拉强度，并将显著降低马氏体转变温度，因此，焊接材料中的铬含量的优选范围应在9~12％之间。

钨是提高马氏体钢强度的重要因素，在一定含量范围内随着钨含量的提高，材料的屈服强度跟着增加，但是当钨的含量较高时，在长期热时效过程中会出现Laves相的析出，降低材料的塑韧性，主要表现为韧脆转变温度（DBTT）升高，焊缝中不宜采用过多添加钨的方法来提高强度，因此将焊接材料中钨的含量控制在1.2~2.5%范围内。

Ta的添加是为了形成大量弥散颗粒相，控制晶粒生长，细化晶粒，提高材料强度和韧性，添加Mn是为了改善与氚增殖剂液态金属LiPb的相容性。

硫、磷都是焊缝中有害杂质元素。应尽量将硫、磷含量控制在0.003％以下。

采用本焊接材料可以有效地提高CLAM钢熔化焊焊缝的力学性能和耐高温、耐腐蚀、抗辐照肿胀等性能。

附图说明

图1 实施例1的焊缝截面图；

图2 实施例1的焊缝显微组织图；

图3 实施例1焊缝中的颗粒相扫描电镜照片图；

图4 实施例1焊缝中的颗粒相的XRD图；

图5 实施例1焊缝及熔敷金属抗拉强度曲线图；