一种包壳管焊接用含铌端塞材料及其制造方法与流程

本发明属于冶金材料技术领域，涉及一种包壳管焊接用含铌端塞材料及其制造方法。

背景技术：

钠冷快中子反应堆(以下简称快堆)作为第四代反应堆，其堆芯组件，特别是燃料组件相比于压水堆运行温度和燃耗更高。燃料棒承受高温(358-700℃)、高辐照损伤(80dpa以上)、裂变产物和金属钠的腐蚀，在寿期末仍需要保持完整性和气密性，这对作为燃料棒的第一道屏障的包壳管及与其焊接的端塞材料性能提出了严格的要求。因此，对快堆堆芯组件包壳管和端塞材料而言，主要的性能要求包括：良好的抗辐照性能，特别是良好的抗辐照肿胀性能；良好的高温力学性能；与燃料及冷却剂良好的相容性；良好的焊接性能。

奥氏体不锈钢以其优异的高温力学性能、良好的抗辐照肿胀性能、良好的钠相容性被广泛选为钠冷快堆的包壳材料。国产快堆包壳管使用含钛奥氏体不锈钢(代号cn-1515)，其严格要求合金中有害元素o、s的含量(均＜15ppm)，同时对锻造棒材和管坯的组织均匀性要求也很严格，不得出现明显条带状碳化物和细晶带组织。包壳管的两端需要焊接上、下端塞，以保证燃料棒的结构和功能，但焊接接头易产生热裂纹是困扰奥氏体不锈钢焊接性的主要问题之一。

焊接热裂纹多产生于焊缝区和靠近焊缝区，其产生的主要原因是由于焊缝金属结晶期间存在较大拉应力、较小导热率和较大线膨胀系数；由于焊接过程中材料的塑性储备量不足和冷却速度不同而导致焊接接头处产生较大的拉应力。

此外，奥氏体不锈钢形成一定方向的粗大柱状晶组织，为杂质的偏析和低熔点液态薄膜的形成提供了有利条件，在冷却时液态薄膜收缩形成微裂纹，随着熔池的凝固，薄膜受力扩展从而产生热裂纹。

奥氏体不锈钢中含有的s、p、sn等杂质以及向焊缝中所添加的各种合金元素都可能在焊接过程中发生偏析，沿晶界析出，增大热裂纹倾向。

包壳管与上、下端塞焊接处的焊缝质量要求很高，而焊缝质量对燃料棒在堆内使用的经济性和安全性具有至关重要的作用。目前，还没有与cn-1515包壳管材料焊接相匹配的成熟端塞材料。因此，针对奥氏体不锈钢焊接中容易出现的热裂纹问题，开发一种和cn-1515包壳管具备良好焊接性能的端塞材料及其制造方法意义重大。

技术实现要素：

本发明的首要目的是提供一种包壳管焊接用含铌端塞材料，以能够针对奥氏体不锈钢焊接中容易出现的热裂纹问题，使奥氏体不锈钢材质包壳管具备良好的焊接性能。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种包壳管焊接用含铌端塞材料，所述的含铌端塞材料按重量百分比的组成为：

c：0.030-0.090％，si≤0.08％，p≤0.010％，s≤0.0015％，mn：0.40-1.00％，ni：14.00-16.50％，cr：15.5-18.0％，mo：2.40-3.20％，nb：0.30-0.90％，b：0.002-0.005％，ti≤0.05％，cu≤0.03％，a1≤0.05％，co≤0.02％，o≤0.0015％，n≤0.0050％，mg≤0.005％，pb≤0.001％，as≤0.003％，sn≤0.001％，bi≤0.001％，hg≤0.001％，zn≤0.001％，la≤0.001％，ce≤0.001％，其余为fe。

本发明的第二个目的是提供一种如上所述包壳管焊接用含铌端塞材料的制造方法，以能够使制造的含铌端塞材料针对奥氏体不锈钢焊接中容易出现的热裂纹问题，使奥氏体不锈钢材质包壳管具备良好的焊接性能。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种如上所述包壳管焊接用含铌端塞材料的制造方法，所述的制造方法依次包括如下步骤：

(1)冶炼：对所述的含铌端塞材料采用真空感应冶炼联合真空自耗重熔的纯净化冶炼进行冶炼；

(2)锻造：采用快锻机和精锻机进行自耗锭均质化锻造，快锻机锻打钳把后采用镦粗再拔长方式进行预变形，再进行均匀化热处理，再进行镦粗，然后拔长锻造成中间坯料，然后充分切除钢锭头尾，快锻结束后精锻至成品；

(3)热挤压：锻棒进行环形炉预热和感应加热，然后进行热挤压获得挤压棒；

(4)中间冷拔及中间热处理：挤压棒经过中间冷拔后使用酸去油清洁，然后进行中间热处理，最后进行矫直；

(5)成品冷拔及热处理：热处理后进行矫直，所得成品棒材酸洗后再进行表面抛光。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述包壳管焊接用含铌端塞材料的制造方法，其中步骤(1)中：

真空感应炉冶炼坩埚为镁质或镁铝质，冶炼温度为1500-1600℃，冶炼完成后浇注并脱模；浇注的真空感应电极在完成冒口切除、表皮打磨后进行真空自耗重熔；电极公称直径φ280-φ308mm，选用φ406mm结晶器。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述包壳管焊接用含铌端塞材料的制造方法，其中步骤(2)中：

预变形的变形量控制在20-30％；

1220±30℃下均匀化热处理15-30h；

镦粗的变形量为20-30％；

分3火次拔长锻造成中间坯料；

钢锭头尾的切头量大于5％，小于15％；切尾量大于3％，小于15％。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述包壳管焊接用含铌端塞材料的制造方法，其中步骤(2)中，锻棒直径为190-204mm，锻棒长度为2000-10000mm，晶粒度不小于3级。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述包壳管焊接用含铌端塞材料的制造方法，其中步骤(3)中，预热和感应加热至1160-1240℃，并在均热段保温2-4小时后再进行热挤压。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述包壳管焊接用含铌端塞材料的制造方法，其中步骤(4)中：

中间冷拔为2-5道次；

中间热处理采用天然气炉，热处理温度控制在1060-1100℃，保温时间10-20min；

矫直后弯曲度应满足后续冷拔加工需要，直线度不超过1.5mm/m。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述包壳管焊接用含铌端塞材料的制造方法，其中步骤(5)中，热处理温度控制在1040-1080℃，保温时间10-20min。

本发明的有益效果在于，利用本发明的包壳管焊接用含铌端塞材料及其制造方法，能够使制造的含铌端塞材料针对奥氏体不锈钢焊接中容易出现的热裂纹问题，使奥氏体不锈钢材质包壳管具备良好的焊接性能。

针对奥氏体不锈钢焊接容易出现热裂纹的问题，本发明设计开发了一种与cn-1515包壳管焊接性能匹配的端塞材料及制造工艺，满足了快堆堆芯组件含钛奥氏体不锈钢包壳管焊接用端塞材料的要求。为降低cn-1515包壳管焊接热裂纹及晶间腐蚀倾向，达到包壳管焊缝合格率≥99％、堆内使用破损率不高于0.01％的苛刻要求，本发明通过端塞材料合金成分设计，添加nb等元素，降低了cn-1515与端塞材料焊接的热裂纹倾向，从而提高了焊缝处的抗拉强度并防止了晶间腐蚀。对端塞材料的合金成分、组织均匀性以及冶炼、锻造、挤压、拉拔等制造工艺设计优化后，可以显著提高cn-1515包壳管和含铌端塞材料焊接的可靠性及堆内使用安全性。

此外，本发明的制造方法通过双真空的纯净化冶炼、两次镦拔加均匀化热处理的均质化锻造、热挤压、中间冷拔及热处理、最终冷拔及热处理等工艺，可确保成品钢棒化学成分、组织均匀性、力学性能、表面质量等满足快堆堆芯组件包壳管焊接用端塞材料的技术要求。

附图说明

图1是实施例2的本发明的含铌端塞材料与包壳管的上焊缝(上端塞与包壳管的焊缝)的金相组织检测结果。

图2是实施例2的本发明的含铌端塞材料与包壳管的上焊缝(上端塞与包壳管的焊缝)的x射线检测结果。

图3是实施例2的本发明的含铌端塞材料与包壳管的下焊缝(下端塞与包壳管的焊缝)的金相组织检测结果。

图4是实施例2的本发明的含铌端塞材料与包壳管的下焊缝(下端塞与包壳管的焊缝)的x射线检测结果。

图5是实施例2的普通不锈钢制备的下端塞与包壳管的焊缝的金相组织检测结果。

具体实施方式

本发明的包壳管焊接用含铌端塞材料按重量百分比的组成为：c：0.030-0.090％，si≤0.08％，p≤0.010％，s≤0.0015％，mn：0.40-1.00％，ni：14.00-16.50％，cr：15.5-18.0％，mo：2.40-3.20％，nb：0.30-0.90％，b：0.002-0.005％，ti≤0.05％，cu≤0.03％，a1≤0.05％，co≤0.02％，o≤0.0015％，n≤0.0050％，mg≤0.005％，pb≤0.001％，as≤0.003％，sn≤0.001％，bi≤0.001％，hg≤0.001％，zn≤0.001％，la≤0.001％，ce≤0.001％，其余为fe。

其示例性的制造方法依次包括如下步骤。

1、冶炼

采用1吨级真空感应冶炼联合真空自耗重熔的纯净化冶炼工艺进行冶炼，真空感应炉冶炼坩埚应为镁质或镁铝质，冶炼温度为1500-1600℃，冶炼完成后浇注并脱模。浇注的真空感应电极在完成冒口切除、表皮打磨后进行真空自耗重熔。电极公称直径φ280-φ308mm，选用φ406mm结晶器，自耗锭成品应满足化学成分要求。

2、锻造

采用快锻机和精锻机进行自耗锭均质化锻造。快锻机锻打钳把后采用镦粗再拔长方式进行预变形，变形量控制在20-30％。然后进行1220±30℃下15-30h的均匀化热处理，接着进行20-30％变形量的镦粗，分3火次拔长锻造成中间坯料。中间坯料锻造结束后，钢锭头尾应充分切除，推荐切头量大于5％，小于15％；切尾量大于3％，小于15％。快锻结束后精锻至成品，锻棒直径190-204mm，长度2000-10000mm，晶粒度不小于3级。

3、热挤压

直径204mm的锻棒在环形炉和感应炉中加热至1160-1240℃，在均热段保温2-4小时，然后再进行热挤压，从直径204mm锻棒一次挤压至直径28或22mm的棒材。

4、中间冷拔及中间热处理

挤压棒经过2-5道次中间冷拔，以保证冷轧钢棒的组织均匀性。中间品冷拔后使用酸去油清洁。中间热处理可采用天然气炉，热处理温度控制在1060-1100℃，保温时间随棒材尺寸规格有所变化，一般10-20min。中间热处理后进行矫直，矫后的弯曲度应满足后续冷拔工艺需要，直线度不超过1.5mm/m。

5、成品冷拔及热处理

根据所需棒材要求冷拔至最终的尺寸规格，热处理温度控制在1040-1080℃，保温时间一般10-20min，保证成品晶粒度在8-10级(其中6级及以下晶粒度不超过15％)。热处理后进行矫直，矫后弯曲度和直线度应满足用户要求。成品棒材酸洗后再进行表面抛光。

6、检验

成品进行化学成分、力学性能、金相组织、尺寸、表面质量、超声探伤等检验，具体的检验项目、方法、结果如下。

(1)尺寸公差

外径公差：±0.05mm

直线度：直线度≤0.7mm/m，全长不超过1.8mm

圆度：在二分之一直径公差范围之内

(2)力学性能要求

表1力学性能要求

(3)金相组织

按照gb/t13305规定的方法α相面积含量≤0.5级；按gb/t13298规定的方法在高倍(500×)显微镜下观察；晶界上无可见的网状碳化物存在；按gb/t13298规定的方法在高倍(500×)显微镜下观察，无“σ”相存在；按照gb/t6394规定的方法测定晶粒度，平均晶粒度细于6级。

(4)非金属夹杂物

非金属夹杂物按gb/t10561中iso标准评级图的粗系和细系评定，结果如下表2所示。

表2非金属夹杂物

(5)表面质量

成品棒材表面无肉眼可见的氧化皮、折叠、夹层、裂纹、碎屑、离层、结疤等缺陷；成品棒材表面光滑、洁净，表面粗糙度ra≤3.2μm。

(6)超声探伤

成品棒材需100％进行超声波探伤检查。钢棒直径8-10mm，缺陷尺寸(当量平底孔直径)为0.8mm；钢棒直径10-25mm，缺陷尺寸(当量平底孔直径)为1.2mm。

上述示例性的本发明的包壳管焊接用含铌端塞材料的制造、焊接、检测方法的举例如下。

实施例1：包壳管焊接用含铌端塞材料的制造和检验(一)

本实施例制备堆芯组件φ6.6×0.45mm包壳管焊接用含铌端塞材料(重量百分比c：0.042％、s：0.0010％、mn：0.58％、p：0.003％、mo：3.14％、ni：15.26％、cr：16.94％、cu：0.02％、nb：0.45％、ti：0.01％、al：0.03％、si：0.06％、b：0.004％、h：0.00015％、o：0.0007％、n：0.0026％、杂质元素mg：0.002％，co＜0.01％，ca＜0.005％，as＜0.003％，sn、bi、hg、pb、zn、la、ce均＜0.001％)棒材，尺寸为φ8±0.05mm，包括如下步骤。

(1)冶炼

采用1吨真空感应炉进行真空感应冶炼，采用真空自耗炉进行自耗重熔，自耗锭成品化学成分满足化学成分要求。

(2)锻造

采用快锻机和精锻机锻造，快锻机镦粗加拔长方式进行20％预变形，在1220℃均匀化热处理30h，最终20％变形量的镦拔。分3火次拔长、锻造成中间坯料，并切头切尾，最终锻棒直径204mm，晶粒度不小于3级。

(3)热挤压

锻造棒材加热后进行热挤压，从直径204mm一次挤压成直径28或22mm的棒材。水冷后进行辊式矫直、酸洗、切割和表面修磨。

(4)中间冷拔及中间热处理

挤压棒经过5道次的中间冷拔，中间冷拔后使用酸去油清洁。中间热处理采用天然气炉，热处理温度控制在1060-1100℃，保温时间20min。中间热处理后进行矫直。

(5)成品冷拔及热处理

冷拔至φ8规格棒材，采用天然气炉进行最终热处理，温度控制在1040-1080℃，保温时间20min，晶粒度控制在8-10级。热处理后进行矫直，成品棒材酸洗后表面抛光。

(6)检验

成品进行化学成分、力学性能、金相组织、尺寸、表面质量、超声探伤等检验。所制备棒材的力学性能满足表1，尺寸规格、金相组织、非金属夹杂物、表面质量、超声探伤均满足要求。

实施例2：含铌端塞材料与包壳管的焊接及检测

将实施例1制备的含铌端塞材料棒材按照图纸尺寸加工成上、下端塞，与高硅含钛奥氏体不锈钢(代号cn-1515)包壳管进行焊接。

对上、下焊缝分别进行金相组织和x射线检测，结果分别如图1-4所示；对应的普通不锈钢制备的端塞与包壳管焊缝的金相组织检测结果如图5所示。由上述图可见，本发明的焊缝没有焊接缺陷、热裂纹及晶间腐蚀现象，而普通不锈钢制备的端塞的焊缝出现焊接裂纹。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。