王慶田,蔣興鈞,郭寶超,李 浩,吳冰潔,王仲輝,陳 昕

(1.中國(guó)核動(dòng)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(jí)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(dòng)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(shí)間增加，磨損會(huì)越來(lái)越大，這樣導(dǎo)致堆內(nèi)構(gòu)件的振動(dòng)幅度也增大，從而降低堆內(nèi)構(gòu)件的疲勞壽命，對(duì)反應(yīng)堆安全可靠運(yùn)行帶來(lái)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(shí)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(wàn)千瓦M(jìn)310核電項(xiàng)目中，采用了手工鎢級(jí)氬弧焊工藝堆焊的鈷基合金堆焊層，多次出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)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(chǎng)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(duì)鈷基合金堆焊出現(xiàn)較多的質(zhì)量問(wèn)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(guò)程中潤(rùn)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(duì)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(shí)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?yuàn)W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(jí)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(jí)氬弧焊工藝堆焊鈷基合金，屬于異種金屬堆焊，對(duì)堆焊工藝要求較高，要求焊前要預(yù)熱、焊接過(guò)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(guò)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(gè)前期核電工程采用手工鎢極氬弧焊工藝堆焊過(guò)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(yáng)江、福清等多個(gè)核電現(xiàn)場(chǎng)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(yáng)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(shí)，在應(yīng)力的作用下(尤其是考慮到后期冷裝，在過(guò)冷處理時(shí)，由于堆焊層與基體材料的線脹系數(shù)差異，也會(huì)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(lái)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(dòng)。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(shí)，氫氣來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(gè)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(wú)損檢驗(yàn)要求，并在焊接工藝評(píng)定的時(shí)候模擬產(chǎn)品的實(shí)際制造工藝過(guò)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(hào)機(jī)組以及二代加改進(jìn)核電工程建設(shè)過(guò)程中，每個(gè)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(hào)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(bào)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(chǎng)安裝階段修磨后再次發(fā)現(xiàn)新的缺陷，最終導(dǎo)致報(bào)廢，對(duì)施工進(jìn)度也造成影響。

針對(duì)鈷基合金多次出現(xiàn)堆焊缺陷卻一直沒(méi)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(duì)堆焊層進(jìn)行超聲波檢測(cè)，從熔敷金屬表面采用縱波雙晶直探頭進(jìn)行檢測(cè)，以保證能探測(cè)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(cè)范圍，設(shè)置的超聲波對(duì)比試塊見圖8。通過(guò)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(wú)法補(bǔ)焊可能導(dǎo)致報(bào)廢的現(xiàn)象發(fā)生。

圖8 超聲波檢驗(yàn)對(duì)比試塊

2)焊接工藝評(píng)定應(yīng)模擬堆焊件的全部熱循環(huán)：之前的焊接工藝評(píng)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(duì)于產(chǎn)品的冷裝工藝沒(méi)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(guò)程，即增加過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)冷后是否有新的缺陷產(chǎn)生。此外，為考核過(guò)冷處理對(duì)不銹鋼基體材料、堆焊層的影響，還應(yīng)檢驗(yàn)過(guò)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(shí)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(guò)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(guò)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(shí)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(shí)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(shí)，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(guò)程中由于保持較高的溫度，不可避免的會(huì)產(chǎn)生氧化物，因此在堆焊過(guò)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(xiǎn)。

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(wú)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(wú)亞共析組織，裂紋和過(guò)度滲碳現(xiàn)象出現(xiàn)；過(guò)冷處理后對(duì)不銹鋼基體材料、堆焊層的無(wú)影響，組織無(wú)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(hào)”福清5、6號(hào)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(duì)堆焊層進(jìn)行體積檢查、模擬過(guò)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(guò)渡較為柔和，無(wú)微裂紋和過(guò)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(méi)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(lái)，隨著增材制造(3D打印)工藝的飛速發(fā)展，其技術(shù)越來(lái)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(shí)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。