核電異種金屬激光填絲焊接頭組織與性能及熱裂紋形成機(jī)理.pdf

1、在壓水堆核電站設(shè)備中，異種材料之間的焊接是一項(xiàng)復(fù)雜、技術(shù)難度大、質(zhì)量要求高的工程，迄今為止仍是核電加工制造領(lǐng)域的難點(diǎn)。激光焊接技術(shù)是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種優(yōu)質(zhì)、高效的新型焊接方法，具有深寬比大、冷卻速度快、熱影響區(qū)窄等特點(diǎn)，成為激光加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。針對(duì)核電一回路Alloy52M/316L異種金屬關(guān)鍵焊接構(gòu)件，本文提出了采用窄間隙激光填絲焊的方法，探索核電工程中異種金屬激光填絲焊的特點(diǎn)及組織變化規(guī)律，為推廣激光焊接技術(shù)在核電工程

2、的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
　　本文首先開展Alloy52M/316L異種金屬激光填絲焊工藝和焊縫成形的研究，研究表明激光填絲焊Alloy52M/316L異質(zhì)焊縫具有匙孔形貌特征，兩層焊縫之間有較深的搭接量，揭示了焊縫高度和熔寬隨激光功率、焊接速度和送絲速度等焊接參數(shù)變化的規(guī)律以及焊接側(cè)壁未熔合和氣孔的特征與形成原因。利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)等分析測(cè)試方法，研究Alloy52M/316L焊縫區(qū)的微觀

3、組織、成分分布、第二相的析出行為以及異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)特征、形成特點(diǎn)和界面區(qū)元素的偏聚行為，對(duì)比研究帶極堆焊(ESW)阻隔層和GTAW阻隔層兩種狀態(tài)下異質(zhì)界面的組織結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明Alloy52M/316L焊縫區(qū)靠近熔合線邊界的組織是細(xì)小的胞狀晶，隨著凝固的推進(jìn)胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢顦渲В诤缚p的中心處會(huì)合形成沿焊縫中心對(duì)稱生長(zhǎng)的組織形態(tài)；在激光多層焊縫的層間出現(xiàn)了重熔細(xì)晶區(qū)，形成了等軸細(xì)晶組織；在焊縫枝晶間主要是由富Nb的析出相和Al2O3與Ti

4、O2聚集一起生長(zhǎng)形成球形復(fù)合氧化物，揭示了Alloy52M/316L焊縫區(qū)微觀組織和第二相析出的規(guī)律；在ESW52M/WM的界面區(qū)域富Nb的析出相呈鏈狀分布或顆粒狀聚集長(zhǎng)大特征，由于Nb、Si、Cr和Fe等元素在晶界上富集在冷卻凝固階段引起富Nb的第二相析出并聚集、長(zhǎng)大；同時(shí)因GTAW52M與ESW52M微觀組織的差異，在GTAW52M/WM界面上沒有出現(xiàn)富Nb的碳化物或Laves相；WM/316L界面是由寬度約30-40μm細(xì)小的胞狀

5、晶組成，激光填絲焊縫與316L不銹鋼表現(xiàn)出良好的相容性，體現(xiàn)良好的界面結(jié)合特性；在WM/316L界面附近區(qū)域存在Cr和Mo元素的富集，并詮釋了沿晶界析出呈鏈狀σ相的原因。
　　基于Alloy52M/316L異質(zhì)接頭熱裂紋產(chǎn)生的位置、特征、化學(xué)成分和斷口分析以及高溫拉伸試驗(yàn)和STF試驗(yàn)的研究，結(jié)果表明富Nb的低熔點(diǎn)共晶相和界面氧化物引起Alloy52M/316L異質(zhì)焊縫凝固裂紋的重要因素，Alloy52M/316L異質(zhì)焊縫凝固裂紋的

6、斷口呈凹凸顯著的樹枝晶狀，表面光滑、無(wú)撕裂棱；基于Alloy52M/316L焊縫區(qū)凝固裂紋液相回流的分析，推導(dǎo)出裂紋萌生和擴(kuò)展條件下液相回流速度vlx；發(fā)現(xiàn)在液化裂紋處伴隨著富Nb的白色鏈狀析出相，具有晶界低熔點(diǎn)液膜的特征，液化裂紋斷口面的晶粒呈卵石狀，晶粒邊界出現(xiàn)液膜，檢測(cè)表明存在富S和Si的低熔點(diǎn)共晶相，或呈液膜特征的富Nb的析出相附在晶粒表面尖端上；發(fā)現(xiàn)富S的低熔點(diǎn)共晶相和富Nb的析出相是引起Alloy52M/316L異質(zhì)接頭液化

7、裂紋的冶金因素，并闡明了液膜形成的原因、富Nb的碳化物的組分液化和液膜遷移的裂紋形成機(jī)理；Alloy52M/316L異質(zhì)接頭的高溫失塑裂紋的走向沿柱狀枝晶發(fā)生開裂，其擴(kuò)展方向可能偏離枝晶生長(zhǎng)的方向，高溫失塑裂紋大多起裂于三叉晶界處，而裂紋在晶界上的形成過程也是孔洞在晶界上形核、長(zhǎng)大和聚合連接的過程，晶界滑移直接影響晶界上孔洞的形核、長(zhǎng)大與聚合連接，詮釋了Alloy52M/316L異質(zhì)接頭高溫失塑裂紋形成條件、萌生與擴(kuò)展機(jī)制。
　　

8、通過力學(xué)性能研究表明Alloy52M/316L異質(zhì)接頭從Alloy52M阻隔層經(jīng)過焊縫到316L不銹鋼的硬度呈下降的趨勢(shì)，焊縫區(qū)的平均硬度為180HV；ESW52M/WM界面是沖擊韌性薄弱環(huán)節(jié)，在ESW52M/WM界面上不規(guī)則的富Nb的碳化物或脆性的Laves相、氧化夾雜物是導(dǎo)致沖擊韌性降低的主要原因；ESW52M/316L和GTAW52M/316L兩種異質(zhì)接頭的拉伸斷口均呈現(xiàn)出韌性斷裂的特征，但在ESW52M/316L拉伸斷口韌窩處存

9、在大量的析出相，ESW52M/WM界面是整個(gè)焊接接頭的斷裂的薄弱位置；ESW52M/316L異質(zhì)接頭在350℃溫度拉伸的斷裂位置位于316L側(cè)，其斷口上存在較多空洞，斷裂機(jī)制是空洞聚集型韌性斷裂。電化學(xué)試驗(yàn)表明，在含Cl-和由Cl-與S2O32-組成的混合介質(zhì)兩種腐蝕溶液體系中，焊縫金屬的極化曲線表現(xiàn)出多次鈍化的特征，腐蝕的形貌呈現(xiàn)差異性，S2O32-促進(jìn)了焊縫金屬的陽(yáng)極溶解，延緩或阻礙其鈍化，促使表面鈍化膜穩(wěn)定性降低作用，揭示了All