一种低活化马氏体钢熔化焊用填充焊丝及使用方法
阅读：576发布：2020-05-13
专利汇可以提供一种低活化马氏体钢熔化焊用填充焊丝及使用方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于新型 焊接 材料领域，特指一种低活化 马 氏体 钢 熔化 焊用 填充 焊丝 及使用方法，主要用于聚变堆新型结构材料——中国低活化马氏体钢（ChinaLowActivationMartensitic，CLAM）结构的焊接，其特征在于：所述焊丝的成份按照 质量 百分比计算：P≤0.003%；S≤0.003%，C≤0.12%，Cr9~12%，W1.2~2.5%，Ta0.3~0.8%，Mn0.3~0.5%，Y0.2~0.6%，余量为Fe。使用本发明所述的焊丝：应用于CLAM钢TIG焊，能抑制 焊缝 晶粒长大，并减少或消除焊缝中出现的 块 状δ 铁 素体，从而提高焊缝的 力 学性能和耐高温、耐 腐蚀 、抗辐照肿胀等性能。，下面是一种低活化马氏体钢熔化焊用填充焊丝及使用方法专利的具体信息内容。
一种低活化马氏体钢熔化焊用填充焊丝及使用方法
技术领域
[0001] 本发明属于新型焊接材料领域，特指一种低活化马氏体钢熔化焊用填充焊丝，主要用于聚变堆新型结构材料——中国低活化马氏体钢（China Low Activation Martensitic，CLAM）结构的焊接。
背景技术
[0002] 核聚变能是一种“清洁”能源，被认为是满足人类未来能源需要的潜在技术。聚变堆结构材料一般采用低活化铁素体/马氏体钢（Reduced Activation Ferritic/ Martensitic, RAFM），这类材料以铁、铬为主要成分，用W、Ta、V代替Mo、Nb、Ni来达到低活化的效果，保证聚变能源为清洁能源；中国开发出了具有中国自主知识产权，成分及性能优化的低活化铁素体/马氏体钢——中国低活马氏体钢，即CLAM钢（China Low Activation Martensitic），由于CLAM钢具有较低的辐照肿胀和热膨胀系数、较高的热导率等优良的热物理、力学性能，以及相对较为成熟的技术基础，因此被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料。
[0003] 焊接技术与工艺是关系到CLAM钢能否走向实际应用的关键问题之一，国内外学者对于聚变堆结构材料的焊接进行过许多研究，尝试过多种焊接方法，如热等静压焊（HIP）、电子束焊（EBW）、激光焊（LBW）、钨极氩弧焊（TIG）等，但是焊件中存在着某些问题，主要表现在：（1）焊缝中晶粒严重粗大，其尺寸约为母材晶粒的20倍以上，从而制约了焊接接头力学性能的提高；（2）焊缝组织中容易出现许多块状δ铁素体，据J.Onoro研究发现块状δ铁素体的产生不但削弱了焊缝的强度和硬度，更提高了结晶裂纹产生倾向，促进θ相析出，降低高温蠕变韧性，从而严重影响焊缝的耐高温和抗辐照肿胀等性能；另外热等静压扩散焊接在接头接触表面容易形成一层稳定的氧化层，焊接过程中难以通过高温扩散消除，影响了接头的冲击性能。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种成分简单、制备方便，应用于CLAM钢熔化焊的焊丝，以抑制焊缝晶粒长大，并减少或消除焊缝中出现的块状δ铁素体，从而提高焊缝的力学性能和耐高温、耐腐蚀、抗辐照肿胀等性能。
[0006] 一种低活化马氏体钢熔化焊用填充焊丝，其特征在于：所述焊丝的成份按照质量百分比计算：P≤0.003%；S≤0.003%，C≤0.12%，Cr9~12%，W1.2~2.5%，Ta 0.3~0.8%，Mn0.3~0.5%，Y0.2~0.6%，余量为Fe。
[0007] 本发明中焊接材料化学成分范围的确定依据及原因如下：必须严格控制焊接材料中的含碳量，焊缝中含碳量增加时会提高焊缝的韧脆转变温度，每增加0.01%C，韧脆转变温度约升高4℃，大颗粒的碳化物呈网状分布时会导致脆性断裂，为降低韧脆转变温度点，应严格控制焊接材料中的含碳量；考虑到TIG焊时温度高，且高温停留时间长，碳元素会发生烧损等问题，因此将焊接材料中含碳量控制在0.12%以下。
[0008] 焊缝中加入9%左右的铬可以减少δ铁素体生成，提高焊缝的高温抗蠕变强度和抗辐照肿胀性能，因此将其列为本焊接材料的主要添加元素，而且铬固溶于铁中可以提高钝化能力，并赋予焊缝良好的耐腐蚀性，但是，铬含量过高，将显著增加淬火、回火条件下的稳定铁素体含量，降低焊缝的硬度和抗拉强度，并将显著降低马氏体转变温度，因此，焊接材料中的铬含量的优选范围应在9~12％之间。
[0009] 钨是提高马氏体钢强度的重要因素，在一定含量范围内随着钨含量的提高，材料的屈服强度跟着增加，但是当钨的含量较高时，在长期热时效过程中会出现Laves相的析出，降低材料的塑韧性，主要表现为韧脆转变温度（DBTT）升高，焊缝中不宜采用过多添加钨的方法来提高强度，因此将焊接材料中钨的含量控制在1.2~2.5%范围内。
[0010] Ta的添加是为了形成大量弥散颗粒相，控制晶粒生长，细化晶粒，提高材料强度和韧性，添加Mn是为了改善与氚增殖剂液态金属LiPb的相容性。
[0011] 硫、磷都是焊缝中有害杂质元素。应尽量将硫、磷含量控制在0.003％以下。
[0013] 图1 实施例1的焊缝截面图；图2 实施例1的焊缝显微组织图；
图3 实施例1焊缝中的颗粒相扫描电镜照片图；
图4 实施例1焊缝中的颗粒相的XRD图；
图5 实施例1焊缝及熔敷金属抗拉强度曲线图；
1、焊缝抗拉强度 2、熔敷金属抗拉强度。
图3 实施例1焊缝中的颗粒相扫描电镜照片图；
图4 实施例1焊缝中的颗粒相的XRD图；
图5 实施例1焊缝及熔敷金属抗拉强度曲线图；
1、焊缝抗拉强度 2、熔敷金属抗拉强度。
具体实施方式
[0014] 实施例1：一种低活化马氏体钢熔化焊用填充焊丝，其具体的化学成分为：C0.12%；Cr9.8%；W2.0％；Ta0.5%；Y0.5%；Mn0.3%；P≤0.003%；S≤0.003%；余量为Fe。
[0015] 针对5mm厚聚变堆用CLAM钢板进行TIG焊对接试验，焊接前用金相砂纸对焊接坡口（60°V型）及填充焊丝表面进行打磨，并用丙酮清洗，然后进行TIG焊接，采用单面焊双面成形技术，其焊接参数：焊接层数为3层，焊接电压U=11~13V，焊接电流I=50~100A，保护气为Ar，流量为10~15L/min，焊接速度为1~2mm/s；焊后对焊接试样进行760℃/30min热处理。
[0016] 对焊接部位进行显微组织观察和力学性能测试，结果显示：如图1所示，采用此成分的焊接材料及相应的焊接参数对CLAM钢进行TIG焊接，焊后能获得成形良好的焊接接头，无焊接缺陷，焊缝、热影响区和母材有明显的界线，如图1所示；焊缝显微组织全部为板条状的马氏体组织，未出现明显的块状δ铁素体相，有助于提高焊缝的高温蠕变强度和耐腐蚀、抗辐照肿胀性能，如图2所示；在晶界处析出了细小的富钽类氧化物颗粒，有助于抑制晶粒生长，细化晶粒，从而改善焊缝力学性能，如图3和图4所示；焊缝和熔敷金属的抗拉强度分别为676MPa和716MPa，能获得满意的焊缝及熔敷金属抗拉强度，如图5所示。
[0017] 实施例2：一种低活化马氏体钢熔化焊用填充焊丝，其具体的化学成分为：C0.10%；Cr10.0%；W1.8％；Ta0.4%；Y0.4%；Mn0.3%；P≤0.003%；S≤0.003%；余量为Fe。
[0018] 针对5mm厚聚变堆用CLAM钢进行TIG焊对接试验，焊接前用金相砂纸对焊接坡口（60°V型）及填充焊丝表面进行打磨，并用丙酮清洗，然后进行TIG焊接，采用单面焊双面成形技术，其焊接参数：焊接层数为3层，焊接电压U=11~13V，焊接电流I=50~100A，保护气为Ar，流量为10~15L/min，焊接速度为1~2mm/s。焊后对焊接试样进行760℃/30min热处理。
[0019] 对焊接部位进行显微观察和力学性能测试，结果显示：焊后能获得成形良好的焊接接头，未出现明显的块状δ铁素体相，在焊缝晶界处出现了细小富钽类氧化物颗粒，能获得满意的焊缝及熔敷金属抗拉强度。
[0020] 实施例3：一种低活化马氏体钢熔化焊用填充焊丝，其具体的化学成分为：C0.10%；Cr10.5%；W1.5％；Ta0.3%；Y0.4%；Mn0.3%；P≤0.003%；S≤0.003%；余量为Fe。
[0021] 针对5mm厚聚变堆用CLAM钢进行TIG焊对接试验，焊接前用金相砂纸对焊接坡口（60°V型）及填充焊丝表面进行打磨，并用丙酮清洗，然后进行TIG焊接，采用单面焊双面成形技术，其焊接参数：焊接层数为3层，焊接电压U=11~13V，焊接电流I=50~100A，保护气为Ar，流量为10~15L/min，焊接速度为1~2mm/s，焊后对焊接试样进行760℃/30min热处理。
[0022] 对焊接部位进行显微观察和力学性能测试，结果显示：焊后能获得成形良好的焊接接头，未出现明显的块状δ铁素体相，在焊缝晶界处出现了细小富钽类氧化物颗粒。能获得满意的焊缝及熔敷金属抗拉强度。
[0023] 实施例4：一种低活化马氏体钢熔化焊用填充焊丝，其具体的化学成分为：C0.10%；Cr11.0%；W1.5％；Ta0.3%；Y0.3%；Mn0.3%；P≤0.003%；S≤0.003%；余量为Fe。
[0024] 针对5mm厚聚变堆用CLAM钢进行TIG焊对接试验，焊接前用金相砂纸对焊接坡口（60°V型）及填充焊丝表面进行打磨，并用丙酮清洗，然后进行TIG焊接，采用单面焊双面成形技术，其焊接参数：焊接层数为3层，焊接电压U=11~13V，焊接电流I=50~100A，保护气为Ar，流量为10~15L/min，焊接速度为1~2mm/s，焊后对焊接试样进行760℃/30min热处理。
[0025] 对焊接部位进行显微观察和力学性能测试，结果显示：焊后能获得成形良好的焊接接头，未出现明显的块状δ铁素体相，在焊缝晶界处出现了细小富钽类氧化物颗粒。能获得满意的焊缝及熔敷金属抗拉强度。
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