[发明专利]一种耐液态铅（铅铋）腐蚀的铁素体-马氏体钢焊丝及其应用

说明书

本发明公开了一种耐液态铅（铅铋）腐蚀的铁素体‑马氏体钢焊丝及其应用，属于金属焊材技术领域。按重量百分比计，该焊丝化学成分为：C：0.06%‑0.15%、Cr：8.0%‑12.0%、Si：0.55%‑1.50%、Ni≤1.5%、Mo：0.4%‑1.4%、N：0.02%‑0.10%、Nb：0.02%‑0.15%、V：0.10%‑0.30%、Mn：0.50%‑2.00%、Cu≤0.08%、Co≤0.06%、P≤0.02%、S≤0.02%、余量为铁及不可避免的杂质。本发明焊丝适用于液态铅（铅铋）冷却快堆铁素体‑马氏体钢部件的焊接，焊接过程，飞溅小，过程稳定，工艺性能好。采用本发明耐液态铅铋腐蚀铁素体‑马氏体钢焊丝焊接后可获得符合液态铅铋冷却快堆性能要求的焊缝。

技术领域

本发明涉及金属焊接材料技术领域，具体涉及一种耐液态铅（铅铋）腐蚀的铁素体-马氏体钢焊丝及其应用，该焊丝应用于液态铅铋冷却快堆的焊接。

背景技术

铅铋冷却快堆因具有核燃料增殖和核废料嬗变能力，易于实现小型化以及较高的安全性而成为世界各国重点发展的下一代核能系统，铅铋冷却快堆的突出优势源于其冷却剂的基本属性，液态铅铋合金作为冷却液，不会与空气、水或蒸汽产生爆炸性反应，且常压下沸点很高（1670℃），不需要额外增压来防止局部沸腾；另一方面，铅的化学惰性使得铅铋冷却快堆无需安装中间回路系统就可将一次冷却剂与二次冷却剂（水）隔离，以上都极大得简化了安全措施，同时带来了较高的经济性，然而以液态铅铋作为冷却剂将会对反应堆部件的抗腐蚀性提出挑战，材料中的Ni、Cr、Fe等元素均不同程度溶解于铅铋，会造成管道堵塞或部件破裂失效，如果腐蚀问题得不到解决，铅铋冷却快堆很难大规模推广应用。铅铋冷却快堆是由不同部件（如堆容器、堆内构件、蒸汽发生器等）焊接而成，焊接接头是整个结构的重要环节，在铅铋冷却快堆中，焊接接头即要承受铅铋腐蚀的影响，又要承受高温、高辐照对材料的恶化作用，基于上述因素的考虑，工程设计对铅铋冷却快堆堆内关键部件用焊接材料的性能提出了较高的要求，以保证快堆安全可靠运行。

铁素体-马氏体钢是核设备用钢的候选材料，铁素体-马氏体耐热钢开发于上世纪30年代，首先应用于石化行业、燃气轮机领域，之后在火电领域得到大量应用，已开发的火电用铁素体-马氏体钢配套焊材如表1所示，目前火电用铁素体-马氏体钢焊材均不适合于在铅铋冷却快堆环境中使用，一方面火电用铁素体-马氏体钢在液态铅铋中表现为均匀溶解，无法形成任何保护层，这也正是全世界铅铋快堆用结构材料研究面临的技术难题，另一方面部分火电用铁素体-马氏体钢焊材通过加入Co元素减缓元素扩散和固溶强化来提高钢的高温性能，降低M₂₃C₆长大速率，延缓马氏体在高温回火时的回复从而提高高温蠕变强度，另外加入Cu来提高钢的强度和韧性以及耐大气腐蚀性能。但是包含Co和Cu的材料在核电领域中应用有明显的有害作用，Co由于其中子吸收截面大，易导致含Co材料在中子辐照条件下失效，而且Co的放射性同位素60Co半衰期长达5.26年，其影响将随反应堆运行时间的增加而日益增强，不但给堆内设备、构件带来放射性，更使一回路系统的管线、泵、阀门等设备均带有放射性，这将给核反应堆设备构件的维修和废物处理带来诸多困难，甚至还可能危害人身安全，而含Cu钢在辐照作用下会形成富Cu沉淀相，其是造成核电用钢脆化的一种主要机制，应严格限制核电用钢中Co和Cu的含量，因此现有的火电用铁素体-马氏体钢焊材均无法在铅铋快堆中使用。目前关于核电用铁素体-马氏体钢焊材的报道还比较少。已有报道的铁素体-马氏体钢焊丝，其是在P91焊材的基础上采用低活化元素W、V、Ta代替Mo、Ni、Nb，通过微合金化的作用获得了较高的焊缝冲击性能，但并未考虑材料的耐铅铋腐蚀性能，因此无法用于液态铅铋冷却快堆部件的焊接制造。

表 1 已开发的火电用铁素体-马氏体钢配套焊材

目前世界范围内针对耐铅铋腐蚀环境下专用的铁素体-马氏体钢焊材的研究还比较少，铅铋快堆用焊材设计不能照搬火电或其它类核电用焊材成分，应针对铅铋快堆服役环境特征设计专用的铁素体-马氏体焊材。目前为保证我国铅铋冷却快堆建设进度，研制拥有自主知识产权、适用于我国铅铋冷却快堆技术参数的高端耐液态铅铋腐蚀铁素体-马氏体钢焊材，是急需解决的问题。