Nb对镍基合金高温失塑裂纹敏感性的影响机理

通过应变—裂纹(STF)试验法测定临界开裂应变值和开裂温度,确定HS690焊丝中Nb含量对熔敷金属抗高温失塑裂纹(DDC)能力的影响规律,并采用透射电镜对焊丝熔敷金属中析出物的尺寸和形态进行了观察。结果表明,在焊接工艺条件相同的情况下,采用向HS690焊丝中添加Nb的冶金方法能够调整晶界处第二相(Nb,Ti)C的数量和形态,晶界条件得到改善,HS690熔敷金属抗DDC的能力得到明显的提高。

镍基材料焊接中高温失塑裂纹DDC的生成机理及研究进展

综述了镍基高温合金焊接中高温失塑裂纹(DDC)的生成及最新研究进展,讨论了镍基高温合金焊接过程中评价DDC的几种主要试验方法并着重对最适合于DDC敏感性研究的STF试验进行了详细的叙述,同时综述了高温失塑裂纹的生成机理,影响高温失塑裂纹的因素以及降低DDC敏感性的一些措施。通过综述结果表明降低DDC敏感性的主要措施是采用合适的合金体系和配合合适的焊接工艺。通过合适的合金体系来控制晶界形貌,即一些特定的元素和C形成MC类碳化物并以析出物的形式均匀分布在晶界区域内,它们会有效钉扎晶界使晶界变得更加曲折,阻碍晶界的滑移以及晶粒的长大。使用使合金组织晶粒细化的焊接工艺以及相应后续处理使合金拥有很好的抗高温失塑裂纹的性能。

晶粒尺度对镍基高温合金的高温失塑裂纹敏感性的影响

镍基高温合金FM-52M是被广泛应用于核电关键部件焊接结构的熔敷金属。但在厚壁管道焊接中,FM-52M的窄间隙填充焊缝具有明显的高温失塑裂纹(DDC)倾向。由于该类热裂纹缺陷的存在,将导致关键部件的焊接结构在核电严苛环境中服役时出现极大的安全隐患。目前在压力容器安全端等厚壁管道焊接制造中,仍无法完全避免该缺陷。针对该问题,提出了采用脉冲TIG焊细化FM-52M的焊缝微观结构改善材料的高温力学性能。通过基于Gleeble技术的单向拉伸试验(STF试验)对FM-52M填充焊缝的DDC裂纹敏感性进行评估,结果证实细化的微观组织提高了DDC裂纹的临界应变,增加了该熔敷金属的抗DDC性能。

Nb和Ti对高温失塑裂纹敏感性影响机理研究

通过STF试验法测定临界开裂的最小应变值εmin,确定HS690焊丝中Nb和Ti对熔敷金属高温失塑裂纹DDC(ductility dip cracking)敏感性的影响规律。通过扫描电镜和透射电镜等技术手段,对熔敷金属中晶界形态和析出物的数量和形态进行了观察。结果表明,在焊接工艺相同的条件下,采用向HS690焊丝中添加Nb和Ti的冶金方法能够改善第二相(Nb,Ti)C数量和晶界形态,并明显改善熔敷金属的DDC敏感性。

690镍基合金焊缝失塑裂纹产生的力学机制

为了从力学角度理解镍基合金焊丝ERNi Cr Fe-7和ERNi Cr-4焊缝失塑裂纹的产生机制,在Thermorestor-W型模拟试验机上进行高温拉伸试验,提出新的裂纹敏感性判据——临界应力.并与产生裂纹的临界应变相结合来评价不同温度下材料的裂纹敏感性.结果表明,裂纹扩展的方向与加载方向大约呈90°夹角;当变形温度低于950℃时,临界应力随变形温度的升高而快速下降;两种材料产生裂纹最敏感的温度区间是950~1 150℃;与ERNi Cr-4相比,ERNi Cr Fe-7产生裂纹的临界应力更小.分析认为,流变应力是产生裂纹的主要因素,当流变应力超过临界应力时,容易产生沿晶裂纹.

Inconel 740H焊丝熔敷金属高温失塑裂纹敏感性研究

Inconel 740高温合金具有良好的高温力学性能以及优异的抗腐蚀能力,常用于核电设备的关键部位焊接,但在高温下易产生高温失塑裂纹(DDC)。本次通过应变-裂纹(STF)试验测定Inconel 740H焊丝所焊焊缝熔敷金属产生高温失塑裂纹的敏感温度区间,并通过观察金相组织、裂纹形貌及断口形貌研究高温失塑裂纹的机理。

焊接工艺对690镍基合金焊丝熔敷金属高温失塑裂纹敏感性影响研究

针对690镍基合金熔敷金属高温失塑裂纹敏感性问题,采用基于Gleeble-3500热力耦合试验机的STF试验,开展焊接工艺对国产化690镍基合金焊丝WHS690M熔敷金属高温失塑裂纹敏感性的影响研究,并与进口Inconel 52M焊丝试验结果进行对比分析。试验表明,熔敷金属高温失塑裂纹最小临界应变出现在1 050℃附近,焊接热输入对最小临界应变影响较小,相比于大面积堆焊熔敷层,对接焊缝熔敷金属临界应变降低,高温失塑裂纹敏感性提高。

国产WNi690焊条熔敷金属高温失塑裂纹敏感性研究

690镍基合金焊缝金属具有较高的高温失塑裂纹敏感性。采用Gleeble-3500热力耦合试验机的应变开裂试验,对不同焊接参数下国产WNi690焊条堆焊金属的高温失塑裂纹敏感性评估,与进口Inconel152焊条试验结果进行对比分析,并结合扫描电子显微镜及电子背散射衍射技术,对晶粒取向和晶界特征进行观察。试验表明,熔敷金属高温失塑裂纹最小临界应变出现在1050℃附近,进口Inconel152最小临界应变约为4%,WNi690焊条最小临界应变约为5%。

E16-25MoN焊丝熔敷金属高温失塑裂纹敏感性及微观组织分析

采用钨极氩弧焊制备了E16-25MoN焊丝熔敷层,采用Gleeble热模拟试验机对熔敷金属试样进行了不同温度、不同应变量的拉伸试验。结果表明:在850~1150℃内,E16-25MoN焊丝熔敷金属的高温失塑裂纹敏感程度较高,1000℃时敏感程度最高,该温度下裂纹临界应变量变低于6%。通过组织分析发现高温失塑裂纹的产生受晶界平直形貌和晶界析出物的影响,高温时晶界上析出物阻碍位错移动,形成应力集中最终产生开裂,而平直晶界为裂纹扩展提供了有利条件。

核级镍基合金焊接材料失塑裂纹研究现状

镍基合金及其焊接材料因具有优异的耐蚀性和高温力学性能,成为核电站关键设备中的关键材料,其焊接质量关系到核电站的安全运行。失塑裂纹(ductility-dip crack,DDC)是镍基合金中常见的一种微观缺陷,常常出现在多层多道焊中,因其尺寸小(长100μm左右)、难检测,成为核电站运行安全的潜在威胁。本文简要地回顾了核级镍基合金及其焊接材料的发展历程,从镍基600系列合金发展到690系列合金,解决了焊接接头晶间腐蚀裂纹问题,但对之引起的焊接DDC问题,从成分设计角度,开发了以Inconel 52、Inconel 52M和Inconel 52MSS为代表的焊接材料,焊接接头的DDC敏感性逐步降低,但此问题至今并未完全解决。介绍了DDC的微观特征及其敏感性评价方法,总结了目前比较认可的DDC开裂机制,从成分和微观组织角度分析了其影响因素,最后进行了展望。

10MnNi2MoV低合金钢管接头裂纹性质分析

以某电厂在役的10MnNi2MoV低合金钢管焊接接头作为研究对象,对其表面裂纹位置、形貌、组织和断口进行了系统地研究分析。结果表明,10MnNi2MoV钢管焊接接头盖面焊缝附近ЭА-395/9堆焊层中易产生锯齿状裂纹,该裂纹通常沿柱状晶生长方向扩展,同时在堆焊层近表面区域的迁移晶界中易产生条状和颗粒状析出物、T型晶界等显微组织及特征,这些组织为10MnNi2MoV低合金钢管焊接接头的高温失塑裂纹的形成提供了内在条件。对于在电厂服役时间较长的低合金钢焊接接头而言,在接头堆焊层易产生高温失塑裂纹,且该裂纹一旦形成将会快速扩展,严重威胁着电厂机组的安全运行。

基于微观组织的镍基合金焊接热裂纹判据

概述了镍基合金焊接热裂纹(结晶裂纹、高温失塑裂纹)的评价方法、产生原因和防止措施,结合核用690合金焊接材料的特点,采用大厚度裂纹试验方法研究了Laves相、MC和M2(C,N)碳化物、MN氮化物对焊缝结晶裂纹、高温失塑裂纹的影响,提出了基于微观组织的镍基合金热裂纹判据,防止结晶裂纹判据为Laves相含量不大于0.9%(体积分数),防止高温失塑裂纹判据为MC+MN+M2(C,N)含量不小于0.18%,在此基础上,研制出新型690合金焊接材料—WHS693M焊丝。结果表明,焊丝抗裂性优良,熔敷金属力学性能满足三代核电主设备制造技术要求。

凸面异形结构ERNiCrFe-7A堆焊层裂纹控制

以M310核电机组CRDM上部Ω密封结构为研究对象,开展了凸面异形结构ERNiCrFe-7A堆焊层裂纹控制的研究,研究了收弧电压、收弧衰减时间对弧坑裂纹的影响,研究了焊接电流、电弧电压、焊接速度等焊接工艺参数对高温失塑裂纹(DDC)的影响。结果表明,弧坑裂纹和DDC是主要的裂纹形式;增强焊接保护效果、控制衰减时间及采取合理焊接顺序可以防止弧坑裂纹;采用合适焊接热输入,可以避免ERNiCrFe-7A在凸面异形结构堆焊过程中产生DDC。

孔隙类型对激光选区熔化Inconel 625合金高温塑性的影响

采用激光选区熔化成形了Inconel 625合金试样,研究了激光功率和扫描速度对合金孔隙的影响,制备了存在大尺寸圆形孔隙缺陷(key-hole模式下)、小尺寸圆形孔隙缺陷(conduction模式下)和不规则孔隙缺陷的拉伸试样,通过815℃高温拉伸试验探讨了孔隙类型对合金抗拉强度及塑性的影响。结果表明:孔隙类型对合金815℃高温抗拉强度及塑性有较大影响。其中,不规则孔隙缺陷试样的高温抗拉强度为374 MPa,塑性为5%;大尺寸圆形孔隙缺陷试样的高温抗拉强度为364 MPa,塑性为31%;小尺寸圆形孔隙缺陷试样的高温抗拉强度为363 MPa,塑性为37%。当不规则孔隙向小尺寸圆形孔隙转变时,高温抗拉强度约降低3%;当大尺寸圆形孔隙向小尺寸圆形孔隙转变时,高温塑性约提升19%。在各类815℃高温拉伸试样断口纵截面中均发现了大量的沿晶界扩展的高温失塑裂纹,这是合金失塑的主要原因。孔隙缺陷处的位错塞积造成较大的应力集中,阻挡了位错滑移和合金的塑性变形,使合金更易发生断裂。

核用镍基焊缝缺陷控制与焊材研制

镍基焊材在核电主设备制备中有着重要的应用,镍基焊材的性能很大程度上决定了核电设备的服役寿命。通过分析镍基焊缝金属焊接过程中常出现的失塑裂纹和点状夹杂两类焊接缺陷,设计并制备了不同Nb、Mo含量的镍基合金焊丝。结果表明,Ti会促进镍基焊缝金属中点状夹杂的出现;随着Nb、Mo含量的增加,镍基合金焊缝金属的室温强度逐渐增加,且焊缝金属的塑性得到大幅提升。Nb、Mo元素的添加,有效地改善了镍基焊缝金属中失塑裂纹与点状夹杂缺陷。通过调整成分获得了满足核电主设备使用要求的镍基合金焊丝。

核电设备用690镍基合金气体保护焊丝国产化研究

针对核电设备用690镍基合金焊接材料依赖进口的现状,开展690镍基合金焊接材料的国产化研制。研制的690镍基合金气体保护焊焊丝WHS690M满足CAP1000及CAP1400核电站的要求,焊接工艺性良好,在不同焊接规范参数下,焊缝金属室温及高温力学性能波动较小,350℃抗拉强度≥485 MPa。对WHS690M及进口Inconel 52M焊丝熔敷金属进行高温失塑裂纹敏感性评估,并结合光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及电子背散射衍射技术(EBSD),对晶粒取向和晶界特征进行观察。试验表明,焊缝金属DDC最小临界应变出现在1 050℃附近,进口Inconel 52M最小临界应变约为2.1%,WHS690M最小临界应变约为3.2%。

核级复合钢管道预堆边堆焊工艺优化及试验研究

从堆焊层的金相检验与组织分析、热处理工艺试验、堆焊层渗透检验（penetration test,PT）缺陷分析与控制三个方面开展核级复合钢管道预堆边堆焊工艺的优化及试验研究。首先,分别对预堆边隔离层、过渡层及保护层进行了宏微观缺陷与金相组织检查,重点掌握了复合钢各堆焊层的焊接性,并总结出了堆焊工艺的控制要点;然后,通过开展热处理工艺试验,使低合金钢母材侧过渡层热影响区（HAZ）获得了预期的回火索氏体组织,且过渡层各区的硬度值均理想。最后,针对加工后过渡层出现的PT缺陷开展分析与控制研究,确定了PT缺陷为高温失塑裂纹,并制定了控制裂纹缺陷的工艺措施,有效降低了高温失塑裂纹的产生。

Nb对690镍合金焊条熔敷金属DDC敏感性影响

采用应变开裂试验研究了Nb对Inconel690焊条熔敷金属失塑裂纹敏感性的影响。结果表明,Nb在熔敷金属中主要以碳化物的形式存在于晶界上,起到了阻碍晶界滑移的作用,降低了材料DDC敏感性,但是当含量超过一定值以后,出现了局部液化现象,其最佳含量为1.73%。

奥氏体不锈钢热变形裂纹的产生

在热模拟试验机上利用自行设计的试验装置进行热变形试验,研究了Cr15Mn9Cu2NiN及Cr17Mn6Ni4Cu2N两种奥氏体不锈钢铸坯在不同变形温度及变形量下裂纹的产生。结果表明,当变形量达到一定程度时,在研究的变形温度下,两种试验钢均会产生裂纹,裂纹均沿奥氏体晶界扩展。在这两种试验钢中均存在一个开裂倾向较高的温度区间,但该温度区间的大小及临界开裂应变量随温度的变化特点在两种钢中不同。该温度区间形成的主要原因是铸态组织及其变形特性引起的,而临界开裂变形量随温度表现出的不同特点则是由微观组织的差异导致的。

蒸汽发生器手孔镍基合金堆焊层开裂分析

蒸汽发生器是核电厂主要的承压边界,某核电厂蒸汽发生器手孔152镍基合金堆焊层发生开裂,对核电安全、经济地运行造成一定影响。预制手孔模拟件复现缺陷并分析开裂处的微观特征,采用横向可调拘束试验分析152熔敷金属的开裂倾向,并利用有限元分析手孔堆焊层的塑性应变分布,复现出了与实际缺陷特征和位置一致的裂纹,发现152堆焊层开裂位置处存在长条状、颗粒状碳化物沿晶界析出,明确了蒸汽发生器手孔152堆焊层开裂机理为碳化物诱导型高温失塑裂纹(DDC),碳化物在晶界析出与焊接应变共同作用导致手孔堆焊层发生开裂。