用于Zr-4合金激光填粉焊接的合金粉末及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开了用于Zr

【技术实现步骤摘要】
用于Zr
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4合金激光填粉焊接的合金粉末及其制备方法、应用


[0001]本专利技术涉及核反应堆材料焊接
，具体涉及用于Zr
‑
4合金激光填粉焊接的合金粉末及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]Zr
‑
4合金具有低的热中子吸收率、高的力学性能以及良好的高温性能等特点，是目前应用最广泛的核反应堆燃料包壳材料。燃料包壳是核反应堆运行的第一道安全屏障，Zr
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4合金燃料包壳的组装焊接质量对于核反应堆运行安全性至关重要。但是，大量的试验研究表明锆合金焊接后焊缝区域耐腐蚀性能显著下降，成为核燃料元件服役过程中的薄弱区域。研究发现Zr
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4合金经真空电子束、TIG等熔化焊接后，熔化区Sn、Fe、Cr等合金元素过度挥发、烧损，焊接区的合金成分和组织结构发生显著变化，是造成焊缝耐腐性能下降的主要原因。通过Zr
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Nb、Zr
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Sn
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Nb和高Fe、Cr的锆合金与Zr
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4合金拼焊试验验证，在400℃、10.3MPa、160d高温蒸气环境下接头耐腐蚀性能有所改善。由此证明“合金元素补偿法”成为一种以Zr
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4合金为代表的锆合金焊接接头耐腐蚀性能改善的有效解决方案。
[0003]但通常情况下焊缝两侧材料的选择受到功能需求、结构设计、制造成本等诸多因素综合限制，无法轻易调整。因此，更换待焊材料合金成分的方式在工程上往往无法实现。如何在不改变待焊材料成分的前提下，有效解决焊缝合金元素的补偿问题，是行业亟需解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供用于Zr
‑
4合金激光填粉焊接的合金粉末，焊接过程同步向焊缝中添加该合金粉末，能够更加灵活、有针对性的补偿焊缝中合金元素的蒸发、烧损，在焊缝局部区域形成新锆合金，从而提高锆合金焊缝耐腐蚀性能。
[0005]此外，本专利技术还提供上述合金粉末的制备方法和应用。
[0006]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0007]用于Zr
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4合金激光填粉焊接的合金粉末，所述合金粉末包括Zr
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4合金粉末，并向Zr
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4合金粉末中添加Sn、Fe、Cr、Nb、Cu和Si粉末。
[0008]其中，Sn、Fe、Cr、Nb、Cu、Si粉末纯度优于99.9％，Zr
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4合金粉末成分满足GB/T 26314
‑
2010《锆及锆合金牌号和化学成分》相关要求。
[0009]本专利技术通过向Zr
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4合金粉末中添加Sn、Fe、Cr、Nb、Cu和Si粉末，有针对性的补偿焊缝中合金元素的蒸发、烧损，在焊缝局部区域形成新锆合金，从而提高锆合金焊缝耐腐蚀性能。
[0010]本专利技术由于是在焊接过程同步向焊缝中添加合金粉末，能更加灵活的补偿焊缝中合金元素的蒸发、烧损，在焊缝局部区域形成新锆合金，在不改变待焊材料成分的前提下，可有效解决焊缝合金元素的补偿问题。
[0011]进一步地，按重量百分含量计，合金粉末包括以下组分：
[0012]Sn 0.3～0.35％，Fe 0.1％，Cr 0.1～0.2％，Nb 0.4～0.5％，Cu 0.1％，Si 0.05％，余量为Zr
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4合金粉末。
[0013]进一步地，Zr
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4合金粉末的粒径为60μm～120μm。
[0014]进一步地，Sn、Fe、Cr、Nb和Cu粉末的粒径均为30μm～50μm。
[0015]进一步地，Si粉末的粒径为30μm～80μm。
[0016]30μm～80μm粒径粉末易于混合，且适合激光填粉焊接工艺。
[0017]合金粉末的制备方法，将合金粉末的各个组分混合后在全周向行星球磨机中混合均匀制备成混合粉末。
[0018]进一步地，包括以下步骤：
[0019]S1、分别制备合金粉末的各个组分，使各个组分呈球形；
[0020]S2、将各个组分按质量比混合；
[0021]S3、将混合后物料在全周向行星球磨机中混合均匀制备成混合粉末。
[0022]进一步地，Zr
‑
4合金粉末，以及Sn、Fe、Cr、Nb和Cu粉末用液态金属雾化法制备；Si粉末由机械破碎法制备。
[0023]进一步地，全周向行星球磨机料罐包含自转、公转、翻转三个方向的旋转，料罐内放置ZrO2陶瓷球辅助混料；自转转速60r/min～300r/min，公转转速30r/min～200r/min，翻转转速12r/min～30r/min，混料时间＞18h。
[0024]上述参数设置能实现粉末混合均匀，以确保在后续的焊接工艺中保证焊缝成分均匀。
[0025]合金粉末在提高Zr
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4合金焊缝区域耐腐蚀性能中的应用。
[0026]在焊接时通过向焊接熔池中添加，补偿合金元素损耗，在焊缝局部形成新锆合金，调控焊缝组织性能，提升Zr
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4合金焊缝耐腐蚀性能。
[0027]本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0028]1、基于“合金元素补偿法”，采用粉末的方式向焊缝中添加合金元素，在不改变待焊材料成分的前提下，有效解决焊缝合金元素的补偿问题。同时粉末作为焊接材料具有成分调节灵活、成本低、效率高等突出优势。
[0029]2、本专利技术的合金粉末提升了Zr
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4合金焊缝耐腐蚀性能，经验证试验，焊缝成形良好，内部无气孔、裂纹，焊接接头经过360℃/18.7MPa/水、400℃/10.3MPa/水蒸气两种腐蚀条件均匀腐蚀试验检验，焊缝耐腐蚀性能与自熔焊相比有显著改善，实现了Zr
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4合金优质高效激光焊接。
[0030]3、本专利技术合金粉末的制备工序流程简单、成本低、可操作性强、重复性良好，可在核工程领域及其他锆合金焊接应用中推广，应用前景良好。
附图说明
[0031]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：
[0032]图1为采用实施例1的合金粉末焊接平板样品焊缝腐蚀后表面形貌，图1中的两个图片为平行样品；
[0033]图2为采用实施例2的合金粉末焊接平板样品焊缝腐蚀后表面形貌，图2中的两个
图片为平行样品；
[0034]图3为Zr
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4合金激光自熔焊平板样品焊缝腐蚀后表面形貌；
[0035]图4为采用本专利技术的合金粉末焊接管样品焊缝腐蚀后表面形貌。
具体实施方式
[0036]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作为对本专利技术的限定。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于Zr
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4合金激光填粉焊接的合金粉末，其特征在于，所述合金粉末包括Zr
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4合金粉末，并向Zr
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4合金粉末中添加Sn、Fe、Cr、Nb、Cu和Si粉末。2.根据权利要求1所述的用于Zr
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4合金激光填粉焊接的合金粉末，其特征在于，按重量百分含量计，合金粉末包括以下组分：Sn 0.3～0.35％，Fe 0.1％，Cr 0.1～0.2％，Nb 0.4～0.5％，Cu 0.1％，Si 0.05％，余量为Zr
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4合金粉末。3.根据权利要求1所述的用于Zr
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4合金激光填粉焊接的合金粉末，其特征在于，Zr
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4合金粉末的粒径为60μm～120μm。4.根据权利要求1所述的用于Zr
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4合金激光填粉焊接的合金粉末，其特征在于，Sn、Fe、Cr、Nb和Cu粉末的粒径均为30μm～50μm。5.根据权利要求1所述的用于Zr
‑
4合金激光填粉焊...

【专利技术属性】
技术研发人员：张恒泉，王泽明，王晶，谭小练，魏连峰，王治国，黄兰兰，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：