一種具有高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲及其焊接工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲及其焊接工藝，屬于焊接材料技術領域。所述焊絲成分為(wt.％)：C：0.1?0.2％，Cr：8.0?12.0％，W：1.0?3.0％，V：0.15?0.35％，Ta：0.05?0.25％，Mn：0.5?1.8％，Al：0.05?0.35％，Si：0.2?0.6％，Ti≤0.1％，Fe為余量。該焊絲通過微合金化，焊縫金屬具有強韌性優良的特點，退火狀態下熔敷金屬室溫沖擊功能達到125?170J，屈服強度在500?650MPa，抗拉強度在700?800MPa，延伸率≥20％，斷面收縮率≥60％。相比現有技術，顯著提高了馬氏體耐熱鋼焊縫金屬的綜合力學性能。
【專利說明】
一種具有高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲及其焊 接工藝
技術領域
[0001] 本發明涉及焊接材料技術領域，具體涉及一種具有高沖擊性能的四代核電用馬氏 體耐熱鋼焊絲及其焊接工藝，該焊絲適用于四代核電加速器驅動次臨界/鉛冷快堆(ADS/ LFR)結構的馬氏體耐熱鋼的焊接。
【背景技術】
[0002] 加速器驅動次臨界系統(ADS)是世界上公認最具有前景的嬗變技術之一，他是利 用加速器產生的質子束流轟擊次臨界堆中的重金屬散裂靶(如液態鉛或鉛鉍合金），引起散 裂反應。馬氏體耐熱鋼具有抗高能中子輻照、高溫性能良好等優點，被認為是未來四代核電 的候選結構材料。然而，結構材料在實際應用的過程中不可避免的需要焊接。氣體保護焊 (如鎢極氬弧(TIG)焊，熔化極氣體保護(MIG)焊）由于具有良好的焊接適應性和焊接質量在 核電焊接過程中被廣泛采用。
[0003] 9Cr2WVTa鋼是在原T/P91鋼的基礎上，采用W、V、Ta等元素來代替Mo、Nb、Ni，使其成 為未來四代核電鉛冷快堆的候選材料。國外鮮有報道相關材料的化學成分范圍，更沒有提 及其焊接材料的設計準則和成分范圍。這方面國內則剛剛起步，相應配套焊材的研制工作 在國內尚處于空白階段。
[0004] 針對馬氏體耐熱鋼焊接材料在國內才剛剛起步，在國內現有的焊材體系中，還未 發現有此類替代焊絲，也未發現相關的技術報導。因此，研究適用于馬氏體耐熱鋼9Cr2WVTa 氣體保護焊的填充焊絲成為目前亟待解決的問題。
【發明內容】
[0005] 為了克服現有技術中馬氏體耐熱鋼焊絲沖擊功較低等問題，本發明提供一種具有 高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲及其焊接工藝，通過焊縫的微合金化作用，以 提高焊縫金屬的綜合力學性能、耐高溫、抗Pb-Bi腐蝕性和抗輻照腫脹等性能。
[0006] 為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：
[0007] -種具有高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲，按重量百分比計，該焊絲 化學成*S :C:0.1-0.2%，Cr:8.0-12.0%，W:1.0-3.0%，V :0.15-0.35%，Ta:0.05-0.25%，Mn:0.5-1.8%，Al:0.05-0.35%，Si:0.2-0.6%，Ti彡0.1%，余量為Fe及不可避免 的雜質。
[0008] 該焊絲化學成分中，P<0.005wt. %，S<0.005wt. %，控制P和S之外的其他雜質元 素總和<0. lwt. %。
[0009] 該焊絲的焊接母材為馬氏體耐熱鋼9Cr2WVTa，其適用于四代核電加速器驅動次臨 界/鉛冷快堆(ADS/LFR)結構件。
[0010] 本發明馬氏體耐熱鋼用焊絲，采用如下方法進行制備：
[0011] 首先，按所述焊絲成分配料，采用真空電弧熔煉方法冶煉制備母合金鋼坯;然后， 將母合金鋼錠進行常規的鍛造、乳制、多道次冷拉及退火，最終制備成所述焊絲。
[0012]采用所述焊絲對馬氏體耐熱鋼進行焊接，焊絲規格為O 1.0mm，采用鎢極氬弧焊焊 接，焊接工藝過程具體如下：
[0013] 半自動填絲鎢極惰性氣體焊TIG，焊接工藝是，電流強度:90-280A，電弧電壓：10-16V，送絲速度為:8-16mm/s，焊接速度為:0.8-1.2mm/s，電流種類/極性:直流DC/正接SP，層 間溫度：150~200°C;焊后進行750°C/2h熱處理;焊接過程中使用Ar作為保護氣體，氣體流 量：10L/min〇
[0014]焊接后獲得的焊縫熔敷金屬的化學成分為（《1%):(：:0.1-0.2%，(^:8.0-12.0% ,ff：l.0-3.0% ,V：0.15-0.35% ,Ta：0.05-0.25% ,Mn：0.5-1.8% ,A1 ：0.05-0.35% , Si:0.2-0.6%，Ti彡0.1%，P<0.005%，S<0.005%，Fe為余量;其中，P、S為雜質元素，P、S 之外的其他雜質元素總和<〇. 1 %。
[0015]本發明馬氏體耐熱鋼焊絲設計原理如下：
[0016] C 元素：
[0017] C在馬氏體鋼中除了起固溶強化作用外，還與鋼中的合金元素形成碳化物，起析出 強化的作用。C是影響焊接性的重要元素，對沖擊性能影響較大。與此同時，C是強奧氏體化 穩定元素，提高C含量可以降低鐵素體的形成傾向，但過高的C含量會增加輻照腫脹率，易在 高溫輻照下形成數量較多、尺寸較大的M 23C6顆粒。因此，C含量應控制在0.1-0.2%范圍。
[0018] Mn 元素：
[0019] Mn是奧氏體化穩定元素，通過增加Mn以彌補降C所損失的強度，同時保證焊縫金屬 為全馬氏體組織。Mn含量高于母材上限含量時可以顯著提高接頭的韌性，但含量過高會降 低奧氏體向鐵素體的轉變溫度(AC1)，進而影響后續焊接接頭的回火過程。因此，Mn含量應控 制在0.5-1.8 %范圍。
[0020] Ti 元素：
[0021] Ti作為微合金元素，通過細化晶粒，改變相變動力學和溶質原子過飽和狀態的脫 溶以彌補降C所損失的強度。與此同時，Ti也是強碳化物形成元素，在焊縫中形成TiC析出 物，但過量的Ti會使焊縫金屬中出現5鐵素體。因此，Ti含量應控制在<0.1%。
[0022] W、V、Ta 元素：
[0023] W是提高馬氏體鋼強度的重要因素，但過量的W元素會在長期熱時效過程中會出現 Laves相，從而降低材料的塑韌性。V、Ta元素是碳化物形成元素，在焊接過程中能形成大量 彌散細小的顆粒相，控制晶粒生長，細化晶粒，從而提高材料的強度和韌性。因此，W含量應 控制在1.0-3.0%范圍，V含量應控制在0.15-0.35 %范圍，Ta含量應控制在0.05-0.30%范 圍。
[0024] Cr、Al、Si 元素：
[0025] Cr含量與輻照腫脹率基本呈正比。Cr含量提高，S鐵素體出現的可能性增大，沖擊 韌性不利。焊縫中加入9%左右的Cr可以減少S鐵素體生成，提高焊縫的高溫抗蠕變強度和 抗輻照腫脹性能。Al、Si在馬氏體鋼中主要起到細化晶粒、提高抗氧化性的作用。但是，過量 的Al、Si則在焊接過程中，焊縫易于開裂。因此，Cr含量應控制在8-12%范圍，A1含量應控制 在0.05-0.35%，Si含量應控制在0.2-0.8%范圍。
[0026] S、P元素：
[0027] S、P都是焊縫中有害雜質元素。焊接過程中易產生低熔點共晶物，偏析于晶界，促 使裂紋傾向增大。所以，S、P總含量要小于0.01%。
[0028]本發明所具有以下優點：
[0029] 1、利用本發明焊絲焊接時，過程穩定，缺陷少，工藝性能好。
[0030] 2、本發明焊絲能夠實現焊縫的微合金化，熔敷金屬的沖擊韌性得到顯著提高，具 有相對優良的綜合力學性能。
[0031] 3、采用本發明焊絲及焊接工藝獲得的焊縫熔敷金屬，合金元素燒損極少，室溫沖 擊功達到125-170J，顯著提高了馬氏體耐熱鋼焊絲的室溫沖擊性能。屈服強度500-650MPa， 抗拉強度700-800MPa，延伸率多20%，斷面收縮率多60%，具有良好的綜合力學性能。
【附圖說明】
[0032]圖1為實施例2的焊縫截面圖。
[0033] 圖2為實施例2的焊縫表層顯微組織圖；其中：（a)焊縫截面宏觀圖；（b)為(a)中A區 域的放大圖；（c)為(b)中A-1區域的放大圖；（d)為(b)中A-2區域的放大圖；
[0034] 圖3為實施例2的焊縫中部顯微組織圖；其中：（a)焊縫截面宏觀圖；（b)為(a)中 域的放大圖；（c)為(b)中B-2區域的放大圖；（d)為(b)中B-1區域的放大圖；（e)為(c)中B-3 區域的放大圖；（f)為(c)中B-4區域的放大圖。
【具體實施方式】
[0035]本發明焊絲是針對用于四代核電加速器驅動次臨界/鉛冷快堆(ADS/LFR)結構的 馬氏體耐熱鋼(9Cr2WVTa鋼)設計，焊絲可采用真空電弧熔煉方法生產，亦可采用電爐加爐 外精煉方法冶煉生產，只要焊絲最終的化學成分能滿足本發明限定范圍即可。表1為各實施 例和比較例中馬氏體耐熱鋼焊絲的基本化學成分。
[0036]表1各實施例和對比例馬氏體耐熱鋼焊絲的基本化學成分(重量比％)
[0039]實驗中待焊母材選用9Cr2WVTa馬氏體耐熱鋼焊接試板，其基本化學成分范圍（重 量比 ％)為：C:0.15 ~0.22%，Cr:8.0-12.0%，W:1.0-3.0%，V:0.15-0.35%，Ta:0.05-0.25% ,Mn： 0.5-0.8% ,A1 ： 0.05-0.35 % , Si ： 0.2-0.6% ,Ti ： ^0.1 % ,P： <0.005% , S ： < 0.005%，Fe為余量，其他雜質元素總和<0.1 %。
[0040]表2為實施例馬氏體耐熱鋼熔敷金屬的基本化學成分(重量比％):
[0042]~表3以上實施例測試結果的試驗條件
[0044] 表2為采用上述實施例1-5和比較例1-2焊絲焊接9Cr2WVTa鋼焊接試板后其相應的 熔敷金屬化學成分，對應的焊接工藝如表3所列。可以看見，采用上述焊接工藝焊接，其熔敷 金屬的合金元素燒損極少。
[0045] 圖1為實施例2的典型焊接接頭宏觀形貌，共焊接8層26道次。圖2為表層焊縫的顯 微組織，其組織主要為馬氏體+片層狀的S鐵素體(A-1區域），在層間熔合線處存在著尺寸較 大的塊狀S鐵素體組織(A-2區域）。圖3為中間焊縫的顯微組織，其組織相對細小均勻，在每 一焊道內（B-2區域），其組織主要為馬氏體+蠕蟲狀的S鐵素體，根據該焊道后續經歷不同程 度的焊接熱作用，其S鐵素體又分為等軸的蠕蟲狀S鐵素體組織(B-3區域)和拉長的S鐵素體 組織(B-4區域）。在焊縫層與層之間，則存在著尺寸較大的塊狀S鐵素體組織(B-1區域）。
[0046] 表4各實施例退火狀態下熔敷金屬試驗測試結果
[0047]
[0048] 當焊絲中C含量<0.10%，如比較例1(0.086%C)，其室溫沖擊功僅為70.3J(焊后 熱處理）。當焊絲中C含量>0.20%，如比較例2(0.22%C)，其室溫沖擊功僅為20.1J(焊后熱 處理）。采用本發明設計的焊絲化學成分，實施例1-5室溫沖擊功能達到125-170J(焊后熱處 理），顯著提高了馬氏體耐熱鋼焊絲的室溫沖擊性能。與此同時，當焊絲中C含量<0.10%， 如比較例1(0.086%〇，其抗拉強度未達到70010^。當焊絲中(：含量>0.20%，如比較例2 (0.22%C)，其屈服強度和抗拉強度分別高于650MPa和800MPa，延伸率和斷面收縮率均不足 20 %和60 %，而實施例1-5屈服強度在500-650MPa，抗拉強度在700-800MPa，延伸率彡20 %， 斷面收縮率多60%。具有良好的綜合力學性能。
[0049] 根據本發明的焊接材料不僅可以用于非熔化極氣體保護焊，也可以用于熔化極氣 體保護焊。
[0050] 本發明焊絲可專門使用于四代核電加速器驅動次臨界/鉛冷快堆(ADS/LFR)結構 材料的焊接，也可以考慮在其它工業領域使用該合金。
【主權項】
1. 一種具有高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲，其特征在于：按重量百分比 計，該焊絲化學成分為：C:0.1-0.2%，Cr :8.0-12 ·0%，W:1.0-3.0%，ν:0· 15-0.35%，Ta: 0.05-0.25%，Μη:0· 5-1.8%，A1:0.05-0.35%，Si :0.2-0.6%，Ti彡0.1 %，余量為Fe及不可 避免的雜質。2. 根據權利要求1所述的具有高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲，其特征在 于:該焊絲雜質成分中，P<0.005wt. %，S<0.005wt. %，其他雜質元素總含量<0. lwt. %。3. 根據權利要求1所述的具有高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲，其特征在 于:該焊絲的焊接母材為馬氏體耐熱鋼9Cr2WVTa。4. 根據權利要求1或3所述的具有高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲，其特征 在于:所述馬氏體耐熱鋼焊絲適用于四代核電加速器驅動次臨界系統或鉛冷快堆結構件的 焊接。5. 根據權利要求1所述的具有高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲的焊接工 藝，其特征在于:該工藝是采用所述焊絲對馬氏體耐熱鋼進行焊接，采用鎢極氬弧焊焊接， 焊接過程中各參數控制如下： 電流強度90-280A，電弧電壓10-16V，送絲速度為8-16mm/s，焊接速度為0.8-1.2mm/s， 電流種類為直流DC，電流極性為正接SP，層間溫度150~200°C，焊后在750°C進行退火熱處 理，熱處理時間2h。6. 根據權利要求5所述的具有高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲的焊接工 藝，其特征在于:焊接過程中使用Ar作為保護氣體，氣體流量10L/min。7. 根據權利要求5所述的具有高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲的焊接工 藝，其特征在于:焊絲規格為Φ 1. 〇mm。8. 根據權利要求5所述的具有高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲的焊接工 藝，其特征在于：按重量百分含量計，焊接后獲得的焊縫熔敷金屬的化學成分為：C:0. ΙΟ .2% ，Cr :8.0-12 ·0% ，W:1.0-3.0% ，V:0.15-0.35% ，Ta:0.05-0.25% ，Mn :0.5-1.8% ，A1: 0.05-0.35%，Si :0.2-0.6%，Ti彡0.1%，P<0.005%，S<0.005%，Fe為余量。9. 根據權利要求5所述的具有高沖擊性能的四代核電用馬氏體耐熱鋼焊絲的焊接工 藝，其特征在于：焊接后獲得的焊縫熔敷金屬的室溫沖擊功達到125-170J，屈服強度500-650MPa，抗拉強度700-800MPa，延伸率彡20 %，斷面收縮率彡60 %。
【文檔編號】B23K35/30GK106001988SQ201610450912
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】陸善平, 王健, 戎利建, 李殿中
【申請人】中國科學院金屬研究所