CAP1400蒸汽發生器壓力邊界焊接接頭的顯微組織

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(1.上海交通大學材料科學與工程學院，上海 200240；2.上海電氣核電設備有限公司，上海 201306)

0 引 言

AP1000技術是美國西屋公司設計開發的最先進的核電技術，其全稱是先進非能動百萬千瓦級壓水堆核電技術(Advanced Passive Pressurized Water Reactor，1000為功率水平)。為了保障能源安全，緩解環境壓力，需要尋求安全性更高和更經濟的核電技術。我國明確指出要在引進吸收AP1000技術的基礎上開發具有自主知識產權的核電技術，形成中國版的CAP1400核電技術[1]。CAP1400蒸汽發生器是核電站一回路系統中的重要設備，其管板、管束組件和水室封頭組成了能承受設計壓力17.2 MPa的壓力邊界。管板和水室封頭均由SA508Gr.3Cl.2鋼鍛件焊接而成，為了提高耐腐蝕性能，緩解焊接過程中產生的焊接應力，在水室封頭內部隔板表面設計堆焊厚度不小于7 mm的鎳基合金，水室封頭內壁設計堆焊一層EQ309L不銹鋼，兩層EQ308L不銹鋼，總厚度不小于6 mm。不銹鋼和鎳基合金堆焊層可以阻止低合金鋼中的碳向不銹鋼焊縫中擴散而形成脆硬的馬氏體組織。

與傳統的蒸汽發生器相比，CAP1400蒸汽發生器材料國產化率高、尺寸大、結構復雜，其壓力邊界的焊接是關鍵制造技術之一[2-3]。壓力邊界焊接性能的影響因素有焊接材料、坡口設計、焊接設備及專用工裝、預熱、層間溫度控制、后熱、焊后熱處理等。壓力邊界焊接存在的主要問題有：SA508Gr.3Cl.2鋼鍛件厚度大，焊接時具有一定的冷裂敏感性；多采用多層多道焊工藝，其焊縫和熱影響區要經受多次焊接熱循環，接頭容易產生較大的殘余應力；在SA508Gr.3Cl.2鋼表面堆焊不銹鋼層或鎳基合金層時存在異種材料連接的問題，包括碳的遷移和擴散、不銹鋼焊縫中脆性組織的形成、接頭組織粗化等。現有的文獻報道多集中在其焊接工藝的選擇及優化、接頭材料選擇、接頭性能要求等方面[3-6]，很少涉及接頭組織。因此，作者對CAP1400蒸汽發生器壓力邊界焊接接頭母材與熱影響區的顯微組織進行研究，為研制具有自主知識產權的CAP1400蒸汽發生器提供試驗基礎。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

母材取自國內某廠生產的符合ASME Ⅱ卷A篇SA-508/SA-508M要求的SA508Gr.3Cl.2鋼鍛件，供貨狀態為調質態。焊材為伯樂焊材公司提供的尺寸60 mm×0.5 mm的EQ309L和EQ308L不銹鋼焊帶，配套的焊劑牌號為RECORD INT 101 Q5，以及用于對接焊和鎳基合金隔離層堆焊的直徑3.2 mm的ENiCrFe-7鎳基合金焊條。母材和焊材的化學成分如表1所示。

表1 試驗材料的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of test materials (mass) %

在SA508Gr.3Cl.2鋼鍛件上截取尺寸為400 mm×150 mm×40 mm的試樣，記為試樣A；再截取相同尺寸的試樣，一端開45°坡口，記為試樣B。如圖1所示：在試樣A待焊面上，采用埋弧焊依次堆焊一層EQ309L焊帶和兩層EQ308L焊帶,得到不銹鋼堆焊層;在試樣B待焊面上，采用手工電弧焊堆焊一層ENiCrFe-7焊條，得到鎳基合金隔離層；最后用ENiCrFe-7焊條對試樣A和試樣B進行手工電弧對接焊。詳細的焊接過程見文獻[7]，焊接參數見表2。

表2 不同焊材的埋弧焊和手工電弧焊參數Tab.2 Parameters of submerged-arc surfacing and shielded metal arc welding for different welding materials

圖1 堆焊及對接焊示意Fig.1 Schematic of surfacing and butt welding

1.2 試驗方法

在無損檢測合格的焊接接頭試樣上，垂直于焊縫方向距試樣邊緣30～50 mm處依次取15 mm厚的宏觀和微觀金相試樣。其中：宏觀金相試樣的觀察面為接頭的整個截面；微觀金相試樣進一步加工成兩個試樣，觀察面分別為母材+不銹鋼堆焊焊縫+鎳基合金對接焊縫+鎳基合金堆焊焊縫+母材。由于接頭焊縫由3種材料組成，在觀察顯微組織前需要用不同的溶液進行腐蝕：鎳基合金焊縫選用50 mL硝酸+50 mL氫氟酸溶液，不銹鋼焊縫選用5 g三氯化鐵+50 mL鹽酸+100 mL蒸餾水溶液，母材及熱影響區選用1 mL鹽酸+4 g苦味酸+100 mL乙醇溶液。每次腐蝕前需要重新進行研磨和拋光，其中宏觀金相試樣只需腐蝕鎳基合金焊縫。使用Observer D1m型光學顯微鏡、Stemi2000-C型體視顯微鏡和Phenom proX型掃描+能譜一體化臺式掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織。

2 試驗結果與討論

2.1 接頭宏觀形貌

由圖2可以看出：接頭從左至右分別為母材、EQ309L和EQ308L不銹鋼堆焊層、鎳基合金對接焊縫、鎳基合金堆焊層和母材；EQ309L和EQ308L不銹鋼堆焊層的總厚度大于6 mm，鎳基合金堆焊層的厚度大于7 mm，符合設計要求。

圖2 焊接接頭的宏觀形貌Fig.2 Macro-morphology of welded joint

圖3 焊接接頭母材的顯微組織Fig.3 Microstructure of base metal of welded joint

2.2 母材的顯微組織

調質態SA508Gr.3Cl.2鋼正常的顯微組織應當是下貝氏體或者回火馬氏體，這種組織能保證該鋼具有良好的綜合力學性能。對于SA508Gr.3Cl.2鋼大鍛件來說，由于淬火時在厚度方向的整個截面上獲得馬氏體組織的臨界冷卻速率很高，因此大多數情況下調質后得到的是下貝氏體組織[8]。由圖3可見：焊接接頭母材的顯微組織由細小的貝氏體組成，貝氏體基體上彌散分布著細小的碳化物顆粒。這種組織可以提高裂紋尖端的局部斷裂應力水平，具有很好的止裂性，有利于提高鋼的斷裂韌性。

2.3 熱影響區的顯微組織

由圖4可知，焊接接頭熱影響區的組織已從細小的貝氏體轉變為粗大的馬氏體。由于不銹鋼焊帶堆焊時的熱輸入大于鎳基合金焊條堆焊時的，因此試樣A側熱影響區的組織更加粗大。與焊縫相鄰的近熔合區附近因經受多次高溫熱循環，基體中的碳化物發生聚集長大，形成塊狀[9]。與奧氏體鋼相比，碳元素在鎳中的溶解度很小，因此：在鎳基合金堆焊層邊界處碳元素的擴散遷移受到抑制，邊界清晰干凈；在不銹鋼堆焊層邊界的熱影響區中則存在寬度超過100 μm的碳遷移層，邊界有碳化物析出的痕跡。

圖4 焊接接頭母材和熱影響區的顯微組織Fig.4 Microstructures of base metal and heat affected zone in welded joint: (a) at sample A side and (b) at sample B side

圖5 焊接接頭中不銹鋼堆焊層的顯微組織Fig.5 Microstructures of stainless steel surfacing layers in welded joint: (a) near base metal and (b) joint between EQ309L and EQ308L surfacing layers

2.4 不銹鋼堆焊層的顯微組織

由圖5可知：EQ309L不銹鋼堆焊層組織為晶界清晰、粗大的柱狀奧氏體，與母材相鄰處存在細小的再結晶晶粒，如圖5(a)中箭頭所示；與EQ308L不銹鋼堆焊層相比，EQ309L不銹鋼堆焊層中的奧氏體柱狀晶形態更明顯，基體上開始有黑色條塊狀鐵素體形成，如圖5(b)中箭頭所示；EQ308L不銹鋼堆焊層的組織同樣是奧氏體，但是在其晶界上有許多彌散分布的鐵素體，鐵素體的存在阻礙了柱狀奧氏體晶粒的長大，奧氏體晶內的黑點為析出的碳化物。不銹鋼焊帶在埋弧焊平堆焊過程中，垂直于堆焊面的方向散熱最快，因此焊縫金屬凝固時，晶粒沿該方向的長大速率最快，從而形成粗大的柱狀晶[10]。堆焊后形成的奧氏體焊縫金屬的導熱性差，在隨后的焊接過程中受后續焊道的循環加熱，奧氏體晶粒長大；且受后續焊道加熱時，前一道焊縫中的奧氏體還會發生再結晶，再結晶晶粒通常呈等軸狀或柱狀，隨著焊接過程的進行，大晶粒吞并小晶粒，形成粗大的柱狀奧氏體晶粒[11]。

圖6 焊接接頭中鎳基合金對接焊縫的顯微組織Fig.6 Microstructure of butt weld of nickel based alloy in welded joint: (a) near stainless steel surfacing layer and (b) center of butt weld

圖7 焊接接頭中鎳基合金堆焊層的顯微組織Fig.7 Microstructure of nickel based alloy surfacing layer in welded joint

2.5 鎳基合金焊縫的顯微組織

由圖6可知，鎳基合金對接焊縫的組織為柱狀奧氏體。與不銹鋼焊帶埋弧焊相比，ENiCrFe-7鎳基合金焊條手工電弧焊時的熱輸入小，散熱速率在垂直于EQ308L不銹鋼堆焊層表面的方向上最快，因此奧氏體柱狀晶長大速率快，其寬度較窄，且受后續多層多道焊接熱循環作用時的長大現象不明顯。后續焊道的循環加熱相當于對焊縫進行了多次熱處理，因此雖然一次晶界清晰可見，但是在柱狀晶晶界發生了再結晶，有些再結晶晶粒長大成為等軸狀奧氏體，如圖6(b)中箭頭所示。在奧氏體基體上的黑色點狀物是碳化物析出相。由圖7可知，鎳基合金堆焊層的柱狀奧氏體組織明顯，晶界清晰平直。

由圖8可知，鎳基合金堆焊層的隔離效果優于不銹鋼的。由此可見，鎳基合金比不銹鋼更適于作為壓力邊界焊縫的隔離層材料，鎳基合金焊縫的組織也較細小。從異種材料焊接接頭殘余應力預防的角度考慮，鎳基合金的線膨脹系數介于SA508Gr.3Cl.2鋼和不銹鋼的之間，采用鎳基合金可以有效地抑制焊接接頭焊接殘余應力和焊接變形的產生。

3 結 論

(1) 焊接接頭中SA508Gr.3Cl.2鋼母材的顯微組織為細小貝氏體，貝氏體基體上的碳化物細小且分布均勻，熱影響區的組織為粗大的馬氏體，碳化物聚集長大成塊狀。

圖8 不銹鋼堆焊層和鎳基合金堆焊層與母材界面的SEM形貌Fig.8 SEM micrographs showing interface between stainless steel surfacing layer (a),nickel based alloy surfacing layer (b) and base metal

(2) 鎳基合金堆焊層和對接焊縫的顯微組織均為柱狀奧氏體組織，基體上有點狀碳化物析出相；不銹鋼堆焊層的組織為粗大的柱狀奧氏體和少量的鐵素體；受多層多道焊熱循環的影響，不銹鋼堆焊層和鎳基合金對接焊縫中都發生了奧氏體再結晶，且在靠近SA508Gr.3Cl.2鋼熱影響區的不銹鋼堆焊層中的再結晶現象最明顯。

(3) 鎳基合金堆焊層抑制SA508Gr.3Cl.2鋼中成分稀釋焊縫金屬成分的效果比不銹鋼堆焊層的顯著。

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