[发明专利]核级镍铬铁合金焊丝及其制备方法、应用

说明书

本发明公开了核级镍铬铁合金焊丝及其制备方法、应用，通过设计合金成分，采用真空感应冶炼、电渣重熔、锻造、轧制、拉拔等配套工艺，并控制各过程中工艺参数制得核级镍铬铁合金焊丝，保证了核级镍铬铁合金焊丝具有良好的焊接工艺性，焊接过程稳定、无飞溅、流动性良好，焊道美观光滑、无夹渣、气孔和裂纹等宏观缺陷和显微裂纹，焊缝金属成分符合要求，具有优异的强韧性，符合核能装备焊接性能要求。

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，尤其涉及核级镍铬铁合金焊丝及其制备方法、应用，适用于焊接抗辐射、耐应力腐蚀、耐高温的核岛关键零部件，可用于焊接镍基合金、镍基合金与低合金钢异种金属焊接和表面堆焊等。

背景技术

核能是重要的清洁能源，大力发展核电已成为节能减排、降低污染的重要举措，具有重要的战略意义；由于核电站中核反应堆关键设备的关键设备比如压力容器、蒸汽发生器、稳压器等长期工作在高温、高压、腐蚀、动载和辐射等多种恶劣环境同时并存的条件下，一旦发生泄漏等事故，后果十分严重；为保证结构的安全性，对焊接接头的要求很高，因此对所使用的焊接材料要求近乎苛刻；由于镍基合金及其焊材本身具有优良的力学性能、环境服役性能以及可焊接性能等，因而其广泛地被用于核电站一回路系统内的关键构件及焊接用焊材，但是由于其本身的材料特性，在施焊过程中易出现结晶裂纹、液化裂纹、高温失塑裂纹、焊接区腐蚀倾向等不足，虽然经过成分调整、焊接工艺改进等技术进步解决了大部分问题，但多年的应用实践证明，国际上已经商业化的核级镍基合金焊接材料仍存在很多问题，焊接工艺性不佳，抗氧化性差，强塑性配合不佳，焊缝金属热裂纹及高温失塑裂纹倾向较严重，特别是大厚焊缝多层多道焊接时经常出现再热裂纹，这不仅提高了焊接施工难度，而且难以确保核电站长期安全运行，国际上目前都还处在不断研究和改进阶段；因此开发出自有知识产权的核级镍基合金焊接材料是核电长远发展的必由之路，也是国家能源战略安全的基本保障；

目前关于核级镍基合金焊接材料，主要是通过添加一定的合金元素来试图改善上述不足，早期专利通过添加Al、Ti元素或Mn、Nb元素来改善焊接性及焊缝金属强度，近年来又通过添加Mo、W元素并进一步提高Nb元素来改善热裂纹及高温失塑裂纹倾向，甚至通过添加B改善抗延性裂纹，通过添加Mg、Ca、Zr细化晶粒、改善焊接表面质量；但上述元素的添加给冶金技术和热加工技术带来了很大难度，比如：Mo、W密度较大、熔点较高，冶炼时极易偏析，致使焊材质量不均匀，且易形成粗大M₂C型和M₆C型液析碳化物，大大降低合金热塑性，且会增加焊接过程中反复加热-冷却循环导致的裂纹倾向；Mg、Ca、Zr极易氧化，容易和焊接中脱氧元素Al、Ti的氧化物聚集长大形成夹杂物，进而形成点状缺陷；而B元素是中子吸收剂,会影响核反应，在核岛装备中严格限制。因此，上述合金元素的添加大大提高焊丝的冶炼、轧制等制造难度，使得焊材质量难以稳定控制，从而焊接质量也处于波动状态，更为关键的是，上述合金元素的添加并未彻底改变焊接工艺性不佳、抗氧化性差、强塑性配合不佳、焊缝金属热裂纹及高温失塑裂纹倾向较严重、大厚焊缝多层多道焊接易出现再热裂纹等问题。现有技术中比如美国专利US6242113(B1)公开了一种焊接合金，包括按重量百分数计的如下成分：C：0.005～0.05％、Mn：≤1.0％、Fe：7.0～11.0％、P：≤0.02％、S：≤0.01％、Si：≤0.05％、Cu：≤0.2％、Al：0.01～0.25％、Ti：0.01～0.35％、Cr：27.0～31.5％、Nb：0.60～0.95％、Mo：≤1.0％、Co：≤0.12％、Zr：≤0.10％、B：≤0.01％、W：≤1.0％，该专利通过Mo、Nb、B、Zr强化合金并控制碳化物形态来增强合金，通过控制较低的Al、Ti、Mn、Si含量来降低合金焊接时的凝固开裂趋势，但是该专利中的合金元素Zr与氧的亲和力极强，容易在冶炼过程中形成点状氧化物夹杂，Mo元素比重大，易形成偏析，导致合金成分不均匀，且Co和B的限制不严格，不适合用于核辐射环境，另外该专利未公开制备方法；欧盟专利WO2016081940公开了一种焊接合金，包括按重量百分数计的如下成分：C：0.040～0.09％、Mn：≤1.0％、Fe：1.0～16.0％、P：≤0.02％、S：≤0.015％、Si：0.0010～0.5％、Cu：≤1.0％、Al：0.001～0.50％、Ti：≤0.5％、Cr：28.0～31.5％、Nb：≥0.60％、Mo：1.0～7.0％、Co：≤0.20％、Zr：≤0.020％、B：≤0.015％、W：≤1.0％、Ca：≤0.10％、Mg：≤0.02％，杂质≤0.5％，该专利主要通过加入大量的Mo(1.0～7.0％)、Nb+Ta(2.2～4.0％)以及一定量的W来强化合金，提高抗高温失塑(DDC)敏感性和抗应力腐蚀性能，但是添加大量的高密度Mo、Ta、W元素极易造成合金成分不均匀分布，且极易开裂，并给热加工制造带来极大困难，同时为了脱氧脱硫加入一定量的Ca、Mg元素会形成夹杂物等点缺陷，影响焊缝的性能，同样该专利未公开制备方法；