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发展核电对能源结构调整具有重要的意义,国务院于2007年批准了《核电中长期发展规划(2005-2020)年》。作为核电机组中的关键部件之一,蒸汽发生器传热管制造难度大,我国基本依赖进口。传热管多采用镍基合金和Fe-Cr-Ni基800合金制造,与镍基合金相比,800合金的经济优势明显。在装配过程中难免要进行焊接,而焊接接头往往是薄弱环节。因此本文对800H和HDG-A合金焊接接头的组织和性能进行研究。用钨极氩弧焊对合金进行焊接,在650℃对焊接接头进行时效;观察了焊接接头的组织、析出相和拉伸断口,用能谱研究了析出相的成分,并用XRD分析了焊缝和基体的物相;研究了焊接接头的晶间腐蚀性能和力学性能。
相图预测说明800H和HDG-A合金的焊缝为单一奥氏体,焊缝按照全奥氏体模式凝固,且具有较高的热裂纹敏感性。采用合理的工艺(电流110~120A、电压12V、氩气流量8~10L/min、焊接速度105~115mm/min)焊接2mm厚薄板,避免了热裂纹的出现,焊缝组织为柱状晶和等轴晶,800H热影响区晶粒的长大比HDG-A明显。在两种焊接接头中都有少量的析出相,800H中主要有TiN和富Cr相(Fe,Cr)23C6两种;HDG-A的析出相主要是氮化物(金属元素为Fe、Cr、Al和Mo)和M23C6(M为Fe、Cr、Al和Nb)。HDG-A合金焊接接头各区域的硬度均高于800H,但与母材相比,HDG-A焊缝和热影响区的硬度降低比800H明显。两种焊接接头的室温抗拉强度都高于565MPa,延伸率分别达到31.75%(800H)和39%(HDG-A),均超过ASME标准关于800H合金的规定值(450MPa和30%),接头发生韧性断裂。HDG-A焊接接头的高温(650℃)拉伸性能明显好于800H,抗拉强度和延伸率分别为453.5MPa、36.5%(800H的为394.5MPa和15.5%)。HDG-A的高温拉伸断口为韧性断口,而800H是混合型断口。
在650℃时效500h后,两种焊接接头都具有较高的组织稳定性。随着时效时间的延长,接头中析出相数量增多、尺寸变大,800H中的TiN变为Ti(C,N),Ti和Al元素析出,形成γ(富Ni、Al和Ti相);HDG-A母材和焊缝中的析出相都为M23C6(母材中M为Fe、Cr、Al和Nb,而焊缝中的M还有Mo)。两种焊接接头的硬度和强度随着时效时间的延长而不断增加,延伸率降低,HDG-A焊接接头的变化幅度比800H大。当在650℃时效300h后,硬度增加不明显,800H焊缝的硬度与母材几乎相同。时效500h后,HDG-A焊接接头的硬度和室温强度明显高于800H,延伸率稍低。时效后800H焊接接头的断裂多为发生在热影响区的准解理断裂,而HDG-A则为发生在母材的沿晶断裂。
HDG-A焊接接头的抗晶间腐蚀性能比800H好。敏化前,800H和HDG-A焊接接头的单位面积失重分别为5.144×10-5g/mm2和6.266×10-6g/mm2;母材的腐蚀深度分别为458μm(800H)和212μm(HDG-A);HDG-A的腐蚀形貌只有腐蚀裂纹,而800H有腐蚀裂纹、整个晶界开裂和少量的小腐蚀坑。敏化处理(650℃×100h)使焊接接头的腐蚀加剧,HDG-A单位面积失重的增加比800H明显;800H腐蚀深度增加的速度明显快于HDG-A合金,800H(HDG-A)母材、热影响区和焊缝的腐蚀深度分别为741μm(249μm)、660μm(204μm)和140μm(64μm);800H焊缝和热影响区的内部有腐蚀裂纹和小腐蚀坑、表面有较大的腐蚀坑,母材的表面和内部都有大腐蚀坑,甚至出现多个晶粒腐蚀脱落的现象;HDG-A的热影响区仅有腐蚀裂纹,而母材还有交叉裂纹和小腐蚀坑。