“華龍一號”核電廠堆內(nèi)構(gòu)件鈷基合金堆焊優(yōu)化設(shè)計(jì)

王慶田,蔣興鈞,郭寶超,李 浩,吳冰潔,王仲輝,陳 昕

(1.中國核動力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213; 2.上海第一機(jī)床廠有限公司，上海 201306)

堆內(nèi)構(gòu)件是核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)重要的支撐、定位和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，屬核安全相關(guān)級重要部件。在核反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)中，為確保限位功能的實(shí)現(xiàn)并防止流致振動導(dǎo)致的疲勞破壞，部件之間的配合間隙應(yīng)嚴(yán)格控制。堆內(nèi)構(gòu)件的上堆芯板導(dǎo)向銷與左嵌入件、右嵌入件以及徑向支承鍵與左U形嵌入件和右U形嵌入件，為限位配合鍵，分別為上部堆內(nèi)構(gòu)件和吊籃筒體限位。由于銷與鍵、鍵與槽之間為間隙配合，即使在反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況下，也將不可避免地導(dǎo)致鍵槽配合面的磨損。且隨著運(yùn)行時間增加，磨損會越來越大，這樣導(dǎo)致堆內(nèi)構(gòu)件的振動幅度也增大，從而降低堆內(nèi)構(gòu)件的疲勞壽命，對反應(yīng)堆安全可靠運(yùn)行帶來隱患。因此，為了確保堆內(nèi)構(gòu)件的限位精度，防止由于磨損造成關(guān)鍵間隙超差，鍵與槽、銷與鍵之間的配合面需要選擇一種合適的耐磨堆焊材料。

鈷基合金是一種硬度較高且能耐各種磨損環(huán)境和耐高溫氧化的硬質(zhì)合金，是較為理想的耐磨堆焊材料，但鈷基合金在堆焊時容易產(chǎn)生氣孔以及冷裂紋等缺陷。在秦山二期擴(kuò)建工程以及百萬千瓦M(jìn)310核電項(xiàng)目中，采用了手工鎢級氬弧焊工藝堆焊的鈷基合金堆焊層，多次出現(xiàn)質(zhì)量問題[1]，包括硬度超差、氣孔、夾雜、裂紋、凹坑等缺陷。在施工現(xiàn)場甚至在反應(yīng)堆熱態(tài)功能試驗(yàn)之后出現(xiàn)了較大面積的鈷基合金堆焊層腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響設(shè)備制造進(jìn)度和反應(yīng)堆的正常運(yùn)行。針對鈷基合金堆焊出現(xiàn)較多的質(zhì)量問題，本文從鈷基合金堆焊機(jī)理、設(shè)計(jì)、工藝等方面分析，提出了一些改進(jìn)措施。

1 鈷基合金特性與堆焊難點(diǎn)

鈷基合金是以鈷作為主要成分，加入一定數(shù)量的Ni、Cr、W和少量的Mo、Nb、Ta、Ti、La等元素組成的合金，其中含鉻25%～30%，以保證具有良好的抗氧化、抗腐蝕性能。它的基體組織為奧氏體+碳化物(Cr7C3、Cr23C6、WC、W2C等)+共晶組織。鈷基合金的密度、熱膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)等與鋼鐵較為接近，熱穩(wěn)定性能較好，且在熔化的過程中潤濕性較好，有利于獲得熱應(yīng)力小、致密性和平整性好的堆焊層，具有良好的抗沖擊性能以及高溫耐腐蝕性能與磨損性能[2-5]。

目前學(xué)者對鈷基合金堆焊工藝和堆焊層性能研究較多[6-13]。鈷基合金堆焊的難點(diǎn)在于預(yù)防堆焊裂紋及補(bǔ)償堆焊層由于稀釋(或沖淡)所引起的合金元素的降低，同時提高熔敷效率。鈷基合金堆焊組織為呈樹枝狀結(jié)晶的CoCrW合金固溶體(奧氏體)初晶和固溶體與CrW復(fù)合碳化物的共晶體基底組成。固溶體組織為富鈷合金，共晶組織中為含碳化物的硬質(zhì)點(diǎn)。這種樹枝狀奧氏體及復(fù)合碳化物的共晶體組織，一般可能形成熱裂紋、氣孔甚至冷裂紋。

2 產(chǎn)品鈷基合金堆焊缺陷及原因分析

2.1 產(chǎn)品鈷基合金堆焊缺陷

核反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件鈷基合金堆焊涉及到的零部件包括左嵌入件(見圖1)、右嵌入件(見圖2)、上堆芯板導(dǎo)向銷(見圖3)、左U型嵌入件(見圖4)、右U型嵌入件(見圖5)、徑向支承件(見圖6)等共24件，涉及堆焊用母材為304LN奧氏體不銹鋼以及690鎳基合金，母材的化學(xué)成分見表1和表2。鈷基合金堆焊采用手工鎢級氬弧焊，焊接材料為ERCoCr-A(Grade 6)鈷基合金光焊條，主要化學(xué)分成為見表3。

圖1 左嵌入件

圖2 右嵌入件

圖3 上堆芯板導(dǎo)向銷

圖4 右U型嵌入件

圖5 左U型嵌入件

圖6 徑向支承件

表1 304LN奧氏體不銹鋼主要化學(xué)成分

表2 690鎳基合金主要化學(xué)成分

表3 ERCoCr-A(Grade 6)的主要化學(xué)成分

核反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件鈷基合金堆焊，為在鎳基合金基體和不銹鋼基體上采用手工鎢級氬弧焊工藝堆焊鈷基合金，屬于異種金屬堆焊，對堆焊工藝要求較高，要求焊前要預(yù)熱、焊接過程中保持較高的道間溫度、焊后采取緩慢冷卻和后熱處理。再加上鈷基合金特殊的冶金特性，在堆焊過程中較易產(chǎn)生堆焊缺陷。由于鈷基合金具有上述特征，秦山二期擴(kuò)建、紅沿河、福清和方家山等多個前期核電工程采用手工鎢極氬弧焊工藝堆焊過程中，多次出現(xiàn)了鈷基合金堆裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，且由于堆焊層質(zhì)量不佳，陽江、福清等多個核電現(xiàn)場在熱態(tài)功能試驗(yàn)之后出現(xiàn)了較為明顯的腐蝕凹坑，如圖7所示。

圖7 陽江核電廠嵌入件腐蝕宏觀形貌

2.2 堆焊缺陷產(chǎn)生原因

鈷基合金堆焊容易產(chǎn)生如下缺陷。

1)冷裂紋 冷裂紋是在較低的溫度下產(chǎn)生的裂紋。鈷基合金堆焊后一般形成硬度較高的Cr7C3、Cr23C6、WC、W2C等碳化鉻、碳化鎢共晶組織，該組織的氫溶解度較小，當(dāng)堆焊層中含有氫時，在應(yīng)力的作用下(尤其是考慮到后期冷裝，在過冷處理時，由于堆焊層與基體材料的線脹系數(shù)差異，也會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力)容易產(chǎn)生氫致延遲裂紋，即冷裂紋。

2)氣孔主要是氫氣孔，氫來源于焊接材料及母材上的碳?xì)浠衔?、水分或油漬。高溫下溶入熔池的氫在焊縫凝固后仍有部分殘留在焊縫金屬內(nèi)，其中一部分固溶于金屬晶格中，一部分能在金屬中擴(kuò)散移動。由于鈷基合金特殊的冶金特征，導(dǎo)致氫的溶解度較低，當(dāng)后熱、緩冷工藝不恰當(dāng)時，氫氣來不及溢出，從而產(chǎn)生氫氣孔[14]。

3)氧化物夾雜 為防止鈷基合金堆焊產(chǎn)生裂紋和氣孔，焊接過程中道間溫度保持在400 ℃左右，堆焊溫度較高。從母材稀釋進(jìn)來的Fe元素(尤其第一層和第二層堆焊，從基體材料稀釋進(jìn)來的Fe元素較多)在高溫條件下產(chǎn)生氧化物，導(dǎo)致堆焊層內(nèi)部產(chǎn)生氧化物夾雜，在后期加工過程中，導(dǎo)致產(chǎn)生凹坑。

2.3 防止堆焊缺陷產(chǎn)生的措施

根據(jù)鈷基合金堆焊缺陷的類型，主要從以下幾個方面采取措施：

1)冶金措施：限制雜質(zhì)元素含量，主要是S、P等元素，防止由于雜質(zhì)元素導(dǎo)致的缺陷。

2)工藝措施：包括合理的焊接順序、恰當(dāng)?shù)暮附泳€能量和熱處理制度等。

3)設(shè)計(jì)措施：增加無損檢驗(yàn)要求，并在焊接工藝評定的時候模擬產(chǎn)品的實(shí)際制造工藝過程。

3 鈷基合金堆焊改進(jìn)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在海南昌江1&2號機(jī)組以及二代加改進(jìn)核電工程建設(shè)過程中，每個核電機(jī)組均出現(xiàn)了堆焊缺陷，有些缺陷在堆焊層機(jī)加工后出現(xiàn)，有些缺陷是在裝配焊接后才發(fā)現(xiàn)，尤其是在海南昌江1&2號機(jī)組堆內(nèi)構(gòu)件制造階段，8件U型嵌入件100%出現(xiàn)了堆焊氣孔、裂紋、夾雜等缺陷，其中3件U型嵌入件由于缺陷尺寸超出設(shè)計(jì)使用范疇，直接報廢處理，另一件由于缺陷尺寸不影響使用，辦理讓步接收使用。甚至到昌江核電廠現(xiàn)場安裝階段修磨后再次發(fā)現(xiàn)新的缺陷，最終導(dǎo)致報廢，對施工進(jìn)度也造成影響。

針對鈷基合金多次出現(xiàn)堆焊缺陷卻一直沒能解決的工程實(shí)際，在多次分析缺陷產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)、工藝等方面采取了一系列處理措施。

3.1 設(shè)計(jì)方面采取的措施：

1)增加堆焊層的體積檢查：在堆焊后對堆焊層進(jìn)行超聲波檢測，從熔敷金屬表面采用縱波雙晶直探頭進(jìn)行檢測，以保證能探測到堆焊層、熔合面以及母材近表面內(nèi)的缺陷。根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及工程實(shí)際能達(dá)到的檢測范圍，設(shè)置的超聲波對比試塊見圖8。通過超聲波檢驗(yàn)，提前發(fā)現(xiàn)堆焊層內(nèi)部的缺陷，并采取補(bǔ)焊等措施，避免堆焊層加工到尺寸后無法補(bǔ)焊可能導(dǎo)致報廢的現(xiàn)象發(fā)生。

圖8 超聲波檢驗(yàn)對比試塊

2)焊接工藝評定應(yīng)模擬堆焊件的全部熱循環(huán)：之前的焊接工藝評定，只規(guī)定了預(yù)熱、道間溫度、后熱和緩慢冷卻熱循環(huán)，而對于產(chǎn)品的冷裝工藝沒有做相應(yīng)規(guī)定。為了全面考核焊接工藝的恰當(dāng)性，應(yīng)模擬產(chǎn)品制造及安裝的全部熱循環(huán)過程，即增加過冷處理模擬，在液氮或丙酮(或乙醇)與干冰的混合物中進(jìn)行過冷處理，見表4。上堆芯板導(dǎo)向銷在液氮中冷卻至少1 h；徑向支承件在丙酮(或乙醇)與干冰的混合物中冷卻至少3 h。在過冷前后分別進(jìn)行液體滲透檢驗(yàn)和超聲波檢驗(yàn)，以檢查過冷后是否有新的缺陷產(chǎn)生。此外，為考核過冷處理對不銹鋼基體材料、堆焊層的影響，還應(yīng)檢驗(yàn)過冷處理前后的變化，包括組織是否存在馬氏體組織轉(zhuǎn)變等，全面檢驗(yàn)焊接工藝的合理性。

3.2 工藝方面采取的措施

1)合理的熱處理制度，包括堆焊前預(yù)熱、道間溫度、后熱溫度、焊后緩慢冷卻措施等，降低焊接時的應(yīng)力，并利于氫氣的排出，降低氣孔和冷裂紋產(chǎn)生的概率。為此制定了如表4所示的熱處理制度。

表4 堆焊過程中的熱循環(huán)

2)較低的堆焊線能量，尤其是第一層和第二層的堆焊，應(yīng)采用較小直徑的光焊條和較低的焊接電流，以降低稀釋率，防止基材中Fe元素過多的進(jìn)入堆焊層形成氧化物夾雜，并可避免奧氏體柱狀晶粗大及雜質(zhì)的偏析。在堆焊的時候，第一層和第二層選擇φ3.2 mm的光焊條，焊接電流控制在下限的參數(shù)范圍；為了提高效率，第三層及第四層堆焊的時候，可選擇φ4 mm的光焊條，焊接電流可適當(dāng)提高。

3)增加熄弧板：總結(jié)前期堆焊層的缺陷，大多出現(xiàn)在收弧位置處，因?yàn)槎押笗r，在保護(hù)氣體以及電弧力的作用下，夾雜物、氧化物等易被帶到收弧位置處，因此收弧部位缺陷較多。為此增加熄弧板，大大降低了凹坑缺陷的產(chǎn)生。

4)機(jī)械打磨：堆焊過程中由于保持較高的溫度，不可避免的會產(chǎn)生氧化物，因此在堆焊過程中宜采用不銹鋼鋼刷等，將表層氧化物刷掉去除，降低氧化物夾雜的出現(xiàn)，可大大降低后期機(jī)加工表層出現(xiàn)凹坑的風(fēng)險。

5)連續(xù)施焊：由于堆焊面積和堆焊層厚度較小，因此宜采取連續(xù)焊接直至堆焊完成，避免間斷堆焊中的加熱、冷卻不均勻產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力和裂紋。

6)正確選擇焊接順序，以減小焊接變形，降低焊接應(yīng)力。

7)堆焊前保持基體材料和光焊條干燥、無油漬，降低氣孔出現(xiàn)的概率。

3.3 鈷基合金堆焊金相檢驗(yàn)

堆內(nèi)構(gòu)件零件鈷基合金堆焊后進(jìn)行了金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見圖9，無亞共析組織，裂紋和過度滲碳現(xiàn)象出現(xiàn)；過冷處理后對不銹鋼基體材料、堆焊層的無影響，組織無變化。

圖9 鈷基合金堆焊層微觀金相

4 結(jié) 論

在吸取前期二代加核電工程鈷基合金堆焊較多缺陷的基礎(chǔ)上，“華龍一號”福清5、6號核電廠堆內(nèi)構(gòu)件鈷基合金堆焊進(jìn)行了設(shè)計(jì)和工藝創(chuàng)新，包括首次提出對堆焊層進(jìn)行體積檢查、模擬過冷處理等，堆焊后的檢驗(yàn)結(jié)果表明：

1)鈷基合金堆焊層表層硬度均勻，硬度線過渡較為柔和，無微裂紋和過度滲碳現(xiàn)象發(fā)生。

2)堆焊零件的體積和表面檢驗(yàn)后，沒有出現(xiàn)線性裂紋情況，且凹坑、氣孔缺陷的尺寸和數(shù)量大大降低。

近年來，隨著增材制造(3D打印)工藝的飛速發(fā)展，其技術(shù)越來越成熟。將激光熔覆(送粉)增材制造技術(shù)用于核反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件的鈷基合金堆焊上，激光束能量高、功率大，熔覆材料的加熱、冷卻速度很快，能得到的熔覆層組織致密、晶粒細(xì)小，且激光堆焊能量密度高，激光束聚焦集中，零部件堆焊時熱輸入小，變形小，堆焊層稀釋率低。且大大降低傳統(tǒng)手工TIG焊接導(dǎo)致的氣孔、裂紋、夾雜等缺陷，非常具有應(yīng)用前景，目前我們正在開展鈷基合金激光熔覆的科研工作。