基于合金化的核电Inconel 690堆焊金属组织性能调控机理研究

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中文摘要：Inconel690配套镍基合金焊接材料常被用于反应堆压力容器、蒸汽发生器等核岛主设备关键构件的焊接，如接管-安全端隔离层堆焊、反应堆压力容器密封面堆焊等。目前核电工程应用的堆焊金属存在高温强度不足以及苛刻条件下仍具有在一定的高温失塑裂纹(DuctilityDipCracking，DDC)敏感性等问题，难以满足未来先进堆型关键焊接构件对镍基合金焊缝的技术要求。本文以Mo、Ta、Nb合金元素为核心，提出合理控制Mo含量、利用Ta代替Nb的合金化思路，针对共晶相形成机制、热裂纹敏感性综合调控等科学问题，开展了基于合金化的堆焊金属组织、力学性能、抗裂性的调控机理研究，不仅可以为核电用关键焊接材料成分设计提供理论基础，而且能为实现核电装备制造自主可控发展与升级换代提供支撑与保障。相比于目前的ERNiCrFe-7A合金体系，本文研究的合金体系最大的特点之一就是3%~5%Mo元素的加入。首先探究了Mo的存在形式及其对共晶相的作用机理。研究表明，Mo主要通过固溶进入基体γ相、共晶σ、共晶Laves等形式存在。Mo在共晶σ相的形成中起主导作用，建立的共晶σ相形成预测模型表明Mo含量控制在中下限基本可以避免共晶σ相的形成。Mo在共晶Laves相的形成中起间接促进作用。Mo含量的升高会显著降低合金的初始凝固温度、增大共晶相的析出数量与尺寸。当Mo含量约为5wt%时，堆焊金属中会形成大尺寸的（Laves+σ+MC）多种析出相共生的共晶组织，局部共晶相本体及相界面存在微裂纹。当Mo含量超过4wt%时，由于Mo突出的固溶强化与析出强化作用，会导致抗拉、屈服强度显著增加，由于共晶析出相数量增加、尺寸增大，塑性、冲击韧性急剧下降。为了进一步抑制低Mo堆焊金属中的大尺寸Laves相及其共晶组织的形成，避免塑韧性下降、结晶裂纹敏感性增加等问题，先后通过设计和控制Ta和Nb含量开展了Ta和Nb总含量、Ta代替Nb程度对堆焊金属组织及力学性能的作用机理研究。研究表明：Ta具有直接促进TaC形成，进而间接抑制Laves形成的作用。Ta主要通过固溶进入基体γ相、共晶MC碳化物、共晶Laves等形式存在。随着Ta和Nb总含量增加，共晶相的面积比例显著增加，在固溶强化、析出强化的综合作用下，力学性能呈现强度显著升高、塑韧性显著下降的趋势，Ta和Nb总含量应控制在2.2at%以下。在保持Ta和Nb总含量在1.5at%的水平下，提出和验证了利用Ta完全代替Nb显著促进L→(γ+MC)共晶反应、抑制L→(γ+Laves)共晶反应的可行性。尽管Ta并不参与σ相的形成，但会通过促进MC共晶反应，抑制Laves共晶反应，间接促进共晶σ相的形成。相比于Nb，Ta的偏析倾向更小，基体γ相中的Ta含量更高。堆焊金属室温及350℃高温强度提高主要归因于Ta的固溶强化。在此基础上，开展了合金化对焊接性的作用机理研究。STF试验结果表明，本文优化成分后的Mo、Ta、Nb合金化WHS693M焊丝堆焊金属εmin可达10%左右，相比ERNiCrFe-7A，DDC抗力显著提高。本文通过建立有限元热力耦合数值模拟仿真模型与物理试验验证，首次提出了基于40mm大厚度多层多道堆焊构件的裂纹敏感性综合评价方法，阐明了不同位置温度场、应力应变场的特点，揭示了Ta、Nb、Mo合金化对裂纹敏感性的作用机理，结果表明提出的评价方法合理、科学。提出了基于不填丝重熔的组织演变及热裂纹敏感性研究方法，结果表明(γ+Laves)、(Laves+σ+MC+γ)等共晶组织在重熔热循环作用下会发生成分液化后重新凝固，形态发生显著改变，局部甚至会引发液化裂纹。最终本文提出了低Mo、低Ta和Nb总含量、高Ta代替Nb程度的合金化思路，一方面能够提高共晶反应温度，缩短结晶温度区间，抑制热裂纹敏感性倾向；另一方面能够最大程度同时限制Laves、σ共晶相的比例与尺寸，保证堆焊金属高强、高塑、高韧。焊接工艺评定结果表明：试制的WHS693M焊丝堆焊金属力学性能、焊接性等综合性能良好，异种钢焊接工艺性良好，能够满足核电工程技术要求，350℃高温拉伸显著高于ERNiCrFe-7A焊丝堆焊金属。

作者：

郭枭

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关键词：

核电Inconel690堆焊金属共晶相热裂纹力学性能

授予学位：

博士

学科专业：

材料加工工程

导师：

Dusan Sekulic、徐锴

学位年度：

2022

学位授予单位：

哈尔滨工业大学

语种：

中文

中图分类号：