一种耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝制造技术

本发明专利技术属于金属焊接材料技术领域，具体为一种耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝，专门用于铅冷快堆容器、堆内构件等不锈钢部件的焊接，解决了国内此类焊接材料短缺的问题。其基本化学成分组成为：C:0.05~0.075%;Cr:13.5~16%;Ni:7.5~11.0%;Si:1.4~3.2%;Mn:1.0~3.0%;Nb:0.5~0.8%;B<0.0005%;P<0.01%;S<0.003%;余量为Fe，其余杂质含量总量<0.1%。本发明专利技术能够实现液态铅铋冷快堆用奥氏体不锈钢的焊接，焊接工艺稳定，焊接部件满足铅冷快堆建造和服役要求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝


[0001]本专利技术属于金属焊接材料
，具体为一种耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝，专门用于铅冷快堆容器、堆内构件等不锈钢部件的焊接。

技术介绍

[0002]焊接是核电站建设中主要热加工工艺，焊接接头质量是影响核电站安全服役的重要因素。开发优质专用焊接材料是保证焊接接头质量的重要环节。我国在运核电站主要以三代压水堆为主（水冷反应热中子堆），应用到的焊接材料包括MnNiMo系合金钢焊材、不锈钢焊接材料和镍基焊接材料等。其中不锈钢焊接材料是压水堆建造中重要的焊接材料，应用于核反应容器内壁的堆焊、不锈钢主管道的焊接，主要包括有316LN、308、309等奥氏体不锈钢焊材。在三代压水堆用不锈钢焊接材料研发中主要考虑如下几个关键点：从焊缝服役环境来说，压水堆的服役温度在400度以下，接触冷却介质是水，这就要求不锈钢焊缝具有良好的耐晶间腐蚀能力。为此，不锈钢焊接材料设计中通常采用低碳设计原则（一般低于0.04%），同时要提高Cr含量，一般高于16%，以保证焊缝耐晶间腐蚀。为了弥补低碳导致的焊缝强度不足，通常通过加入一定量的氮元素来提高焊缝强度。另外三代压水堆容器内壁堆焊面积较大，为降低焊接过程中单相奥氏体焊缝的裂纹敏感性，通常不锈钢焊缝成分设计时要保证焊缝组织中含有少量δ相（3
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10%），提高抗裂纹敏感性，这就要求调整Ni含量，通常镍含量高于11%。
[0003]三代压水堆是热中子反应堆，为了解决三代压水堆中铀资源的可持续发展和核废料嬗变，提出了更为先进的四代快中子核反应堆。铅铋冷却快中子反应堆（铅冷快堆）是四代堆中一种。作为第四代核电技术的代表，与三代压水堆相比，铅冷快堆在安全性、效率和资源利用方面具有明显的提高。目前，我国铅冷快堆技术还处于研发攻关阶段。铅冷快堆所用到的主要结构材料包括有不锈钢材料和Cr
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Mo耐热钢材料等。在铅冷快堆建设中，这些结构材料部件组装需要大量焊接，急需开发配套装用的焊接材料。
[0004]铅冷快堆建设中不锈钢结构主要用于堆容器和堆内构件。这些容器和构件的焊接接头在比较苛刻的液态铅铋环境下服役，必须具备良好的耐液态铅铋腐蚀性能，同时液态铅铋服役温度在500℃以上，远高于三代压水堆的服役温度，这就要求研发的不锈钢焊材需要有更高的强度。
[0005]申请人研发团队经过研究发现三代压水堆用不锈钢焊材考虑了焊缝的抗晶间腐蚀（水环境）能力，采用了低碳加氮、高Cr含量的奥氏体不锈钢焊材，没有考虑四代铅冷快堆环境下的耐液态铅铋腐蚀性和含氮焊材在焊接过程焊缝容易形成气孔缺陷、氮含量损失问题。三代压水堆用焊材需要在合金钢容器内表面进行大面积的堆焊，容易引起焊接裂纹，焊材成分设计中根据Cr含量来调整提高Ni含量，保证焊缝形成少量δ铁素体，提高焊缝抗裂纹能力，但没有考虑到在四代铅冷快堆中Ni元素在液态铅铋中具有较高的溶解度，服役中使得焊缝发生溶解腐蚀。在四代铅冷快堆中，堆容器和堆内结构件直接采用了不锈钢制造，不再涉及不锈钢容器的内壁堆焊，只是不锈钢件之间的焊接，大面积堆焊的裂纹敏感性不再
是突出问题。但四代铅冷快堆的服役温度超过500℃，显著高于三代压水堆的服役温度(通常在327℃左右)。三代压水堆用不锈钢焊材没有考虑到焊缝在500℃下长期服役过程中δ铁素体会发生分解，导致焊缝的韧塑性等力学性能降低。由于四代铅冷快堆的特殊服役环境，使得三代压水堆用的不锈钢焊接材料不能满足四代铅冷快堆的要求。当前国内尚无成型的配套焊材，亟需开发拥有完全自主产权的第四代铅冷快堆奥氏体不锈钢焊接材料。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在提供一种耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝，完全适用于铅冷快堆堆容器、堆内构件等不锈钢结构的焊接，实现焊缝耐液态铅铋腐蚀且具有较高的力学性能。
[0007]本专利技术的技术方案为：一种耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝，按重量百分比计，其化学成分组成为：C:0.05~0.075% ; Cr:13.5~16% ; Ni:7.5~11.0% ; Si:1.4~3.2% ; Mn:1.0~3.0% ; Nb:0.5~0.8% ; B< 0.0005% ; P<0.01% ; S<0.003%;余量为Fe，其余杂质含量总量<0.1%。所述杂质中Cu和Co含量控制在极低范围内，Cu控制在0.1%以内，Co控制在0.06%以内。
[0008]进一步的所述耐铅铋腐蚀的不锈钢焊丝中C含量重量百分比优选为C：0.055~0.065%，或者为C:0.060~
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0.070%，Ni含量进一步优选为Ni：8.0~9.0%，或者为Ni：8.5~10.0%，Nb含量进一步优选为Nb：0.6~0.75%。
[0009]使用真空镕铸炉冶炼或电炉加炉外精炼方法冶炼母合金钢坯，按重量百分比计，其基本化学成分组成为：C:0.05~0.075% ; Cr:13.5~16% ; Ni:7.5~11.0% ; Si:1.4~3.2% ; Mn:1.0~3.0% ; Nb:0.5~0.8% ; B< 0.0005% ; P<0.01% ; S<0.003%;余量为Fe，其余杂质含量总量<0.1%，钢坯杂质中Cu,Co含量要控制在极低范围内，Cu控制在0.1%以内，Co控制在0.06%以内。
[0010]所述焊丝为实心焊丝。其中，按重量百分比计，最终焊缝金属化学成分为：C:0.05~0.075% ; Cr:13.5~16% ; Ni:7.5~11.0% ; Si:1.4~3.2% ; Mn:1.0~3.0% ; Nb:0.5~0.8% ; B< 0.0005% ;P<0.01% ; S<0.003%；余量为Fe，其余杂质含量总量<0.1%，其中杂质中的Cu控制在0.1%以内，Co控制在0.06%以内。
[0011]焊接工艺采用钨极氩弧焊（TIG）焊接，使用纯Ar作为焊接保护气体。焊接工艺为焊接电流150
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200A，焊接电压10
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16V，焊接速度80
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140mm/min，送丝速度800
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1400mm/min。电流种类/极性：直流正接（DCEN），层间温度≤100℃，保护气体：纯度>99.999%的Ar。焊接后的焊缝金属的室温冲击性能KV2>60J，屈服强度R
p0.2
＞400MPa，抗拉强度R
m
＞900MPa。焊接后的焊缝金属在600℃液态铅铋腐蚀环境中500h腐蚀层厚度＜35μm。该焊丝适用于铅冷快堆堆芯外压力容器、堆内支撑结构的焊接。
[0012]本专利技术的方案具有以下优点：1. 本专利技术焊丝成分中突破性的添加含量范围在大于1.4%以上、3.2%以下的Si元素，使得焊缝在高温服役过程中与液态铅铋中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分组成为：C:0.05~0.075% ; Cr:13.5~16% ; Ni:7.5~11.0% ; Si:1.4~3.2% ; Mn:1.0~3.0% ; Nb:0.5~0.8% ; B< 0.0005% ; P<0.01% ; S<0.003%;余量为Fe，其余杂质含量总量<0.1%。2.按照权利要求1所述的耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于，所述杂质中Cu和Co含量控制在极低范围内，Cu控制在0.1%以内，Co控制在0.06%以内。3.按照权利要求1所述的耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分组成中C含量进一步限定为C：0.055~0.065%，或者为C:0.060~0.070%。4.按照权利要求1所述的耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分组成中Ni含量进一步设置为Ni：8.0~9.0%，或者为Ni：8.5~10.0%。5.按照权利要求1所述的耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分组成中Nb含量进一步设置为Nb：0.6~0.75%。6.按照权利要求1所述的耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于，使用真空镕铸炉冶炼或电炉加炉外精炼方法冶炼母合金钢坯，按重量百分比计，其基本化学成分组成为：C:0.05~0.075% ; Cr:13.5~16% ; Ni:7.5~11.0% ; Si:1.4~3.2% ; Mn:1.0~3.0% ; Nb:0.5~0.8% ; B< 0.0005% ; P<0.01% ; S<0.003%;余量为Fe，其余杂质含量总量<0.1%，钢坯中杂质中的Cu、Co含量要控制在极低范围内，Cu控制在0.1%以内，Co控制在0.06%以内。7.按照权利要求1所述的耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆善平，徐海涛，陈亚魁，付晓刚，吴栋，燕春光，李殿中，秦博，杨红义，李依依，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：