蒸汽發(fā)生器手孔鎳基合金堆焊層開裂分析

趙 亮，涂善東，劉 剛，劉福廣，李 勇，楊二娟

（1.華東理工大學(xué) 承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

蒸汽發(fā)生器是核電廠主要的承壓設(shè)備，某核電廠蒸汽發(fā)生器手孔152鎳基合金堆焊層發(fā)生開裂，開裂的手孔位于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管板上方，手孔密封結(jié)構(gòu)為焊接隔膜式，孔徑100 mm，蒸汽發(fā)生器殼體材料為ASME SA508，手孔處殼體厚度100 mm，在蒸汽發(fā)生器殼體外壁堆焊了厚度10 mm的152鎳基合金堆焊層作為手孔密封面，以便在定期檢修打開手孔后重復(fù)焊接密封，152堆焊焊接方法為手工電弧焊（Shielded Metal Arc Welding，SMAW）。密封隔膜與密封面之間采用52鎳基焊絲，通過手工鎢極氬弧焊（Gas Tungsten Arc Welding，GTAW）進(jìn)行封焊。手孔密封焊接結(jié)構(gòu)如圖1所示。堆焊層上的開裂主要位于封焊焊道熱影響區(qū)內(nèi)部，呈網(wǎng)狀分布，如圖2所示。

圖1 手孔密封焊接結(jié)構(gòu)示意

圖2 裂紋形貌

152鎳基合金焊材具有良好的抗氧化性和高溫力學(xué)性能，目前已廣泛應(yīng)用于核電設(shè)備的制造與安裝［1］。鎳基合金焊材主要的焊接性問題為熱裂紋［2-3］和高溫失塑裂紋（Ductility Dip Cracking，DDC），熱裂紋的形成與熱輸入、高值熱應(yīng)變（0～20%）、晶界P，S含量高等因素［4-8］有關(guān)。DDC形成機(jī)制主要有晶界滑移［9-10］、應(yīng)力集中和碳化物誘導(dǎo)［11］、晶界弱化［12］等。影響DDC的因素主要包括成分及第二相析出物、應(yīng)變速率、晶界取向與再結(jié)晶、晶粒尺度等，其中，碳化物的大小形態(tài)對(duì)DDC的產(chǎn)生影響較大［13］。

為明確手孔密封面開裂機(jī)理，本文預(yù)制手孔模擬件復(fù)現(xiàn)缺陷并分析開裂處的微觀特征，采用橫向可調(diào)拘束試驗(yàn)，分析152熔敷金屬的開裂傾向，并利用有限元方法分析手孔堆焊層的塑性應(yīng)變分布。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

152焊材的主要成分如表1所示，其主要力學(xué)性能如表2所示。

表1 152焊材的主要成分 %

表2 152鎳基合金的主要力學(xué)性能

1.2 手孔模擬件制備

手孔模擬件按照蒸汽發(fā)生器手孔的實(shí)際尺寸制作，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模擬件結(jié)構(gòu)示意

堆焊焊縫采用152焊材、SMAW 方法焊接，封焊焊縫采用52焊材、GTAW 方法焊接。模擬件堆焊及封焊完成后，磨除封焊焊縫，模擬重新封焊的過程，隨后再次磨除封焊焊縫，觀察堆焊層表面在封焊過程中產(chǎn)生的裂紋情況，采用線切割方法切取微觀分析試樣。

1.3 橫向可調(diào)拘束試樣及試驗(yàn)裝置

采用開槽堆焊的方法制備橫向可調(diào)拘束試樣，基材厚度50 mm，開槽寬度50 mm、深度6 mm，焊接方法為SMAW，焊材為152，焊接電流120 A、焊接速度1 mm/s。堆焊結(jié)束后采用機(jī)械切割方法去除基材部分，制成如圖4（a）所示的試樣，試樣的裝夾采用圖4（b）所示的結(jié)構(gòu)，利用萬能試驗(yàn)機(jī)的壓頭施加彎曲載荷。靠模產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變有兩種，分別為2%，4%，應(yīng)變加載速率為0.1%/s。試樣裝夾后采用GTAW 方法進(jìn)行可調(diào)拘束焊縫的焊接，引弧后即開始施加應(yīng)變，分別經(jīng)過20 s，40 s后試樣將與靠模完全貼合，焊接完成后取下試樣。

圖4 試樣及試驗(yàn)裝置示意

1.4 裂紋及組織觀察方法、硬度分析方法

試樣制備完成后，采用線切割方法在可調(diào)拘束焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)取金相觀察試樣。采用500#，1000#，1500#和2000#砂紙進(jìn)行水磨，利用拋光機(jī)結(jié)合粒度為2.5μm和1.5μm的拋光劑進(jìn)行拋光，金相試樣用王水進(jìn)行腐蝕，再用水和酒精清洗、吹干后置于丙酮溶液中，采用超聲清洗15 min，然后依次在光學(xué)顯微鏡和JSM-6490LCV型掃描電鏡下對(duì)裂紋進(jìn)行觀察。采用線切割的方法從堆焊層切取0.4 mm的薄片作為透射電鏡試樣，再用砂紙打磨到80μm以下，用Tenupol-5型雙噴電解儀進(jìn)行雙噴，使用JEM-200CX型透射電鏡觀察顯微組織的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及析出形態(tài)等。

1.5 焊接過程應(yīng)變分析

依據(jù)GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2部分：高溫試驗(yàn)方法》測(cè)試152熔敷金屬和SA508母材的拉伸性能，試樣為?5 mm棒狀試樣，采用CCS3910型電子拉伸蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，獲得的材料性能參數(shù)分別見表3，4。采用熱彈塑性方法，分析手孔經(jīng)過堆焊、封焊、模擬重復(fù)封焊過程后的應(yīng)變分布，初始預(yù)熱溫度100℃；環(huán)向切割面為對(duì)稱邊界，SA508殼體為剛性固定約束，手孔外表面為自然對(duì)流邊界，在堆焊部分施加焊接熱源，通過子程序控制熱源加載強(qiáng)度及加載路徑。

表3 152熔敷金屬材料性能

表4 SA508材料性能

2 模擬件堆焊層組織與裂紋形貌

手孔模擬件經(jīng)堆焊、封焊、模擬重復(fù)封焊后，堆焊層表面發(fā)生了開裂，裂紋出現(xiàn)在封焊焊縫兩側(cè)的堆焊層外表面（如圖5（a）所示），距離封焊焊縫熔合線約100μm，分布范圍約3 mm寬，裂紋尺度范圍為213～1 349μm。堆焊層內(nèi)部組織如圖5（b）所示，其組織呈現(xiàn)典型的柱狀晶狀態(tài)，柱狀晶發(fā)達(dá)且方向明顯，枝晶間有條狀骨架形或顆粒狀析出，晶內(nèi)有彌散的點(diǎn)狀析出物。透射電鏡物相分析結(jié)果顯示，這些析出物為Cr23C6，NbC，TiC等碳化物。堆焊層表面組織狀態(tài)如圖5（c）所示，可以發(fā)現(xiàn)為胞狀特征，晶界彎曲，非平直類型晶界，碳化物彌散分布在枝晶間及晶界位置。透射電鏡觀察結(jié)果如圖5（d）所示，晶間存在長(zhǎng)條形、顆粒狀碳化物，同時(shí)在晶粒之間存在三角形的共晶組織。

圖5 堆焊層組織及裂紋情況

3 開裂機(jī)理分析

手孔模擬件堆焊層裂紋處的微觀特征顯示，開裂主要與碳化物析出有關(guān)，能夠明確裂紋形成機(jī)理為碳化物誘導(dǎo)型DDC。一般只有尺寸很小且成彌散狀分布的碳化物才能起到阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、防止開裂的作用。當(dāng)晶界上存在的碳化物為尺寸較大的條狀時(shí)（如圖6（a）中位置A所示），在外加應(yīng)變作用下，大尺寸析出物阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生應(yīng)變集中。由于碳化物與基體之間的錯(cuò)配度較高，兩者界面結(jié)合強(qiáng)度低，從而在界面處開裂，使碳化物首先脫離基體形成微孔。同時(shí)，尺寸較大的顆粒狀碳化物也會(huì)與基體分離，形成微孔洞，如圖6（a）中位置B所示。圖6（b）中位置A處晶界無析出物，位置B處碳化物為顆粒狀，且尺寸較大，與基體分離后形成了凹坑；在力的作用下凹坑發(fā)生形變，凹坑之間的材料發(fā)生撕裂，凹坑連接在一起形成C處所示的微小裂紋，由于C處的裂紋方向與載荷方向一致，并未發(fā)生進(jìn)一步的擴(kuò)展；而與外力垂直的晶界D處的凹坑會(huì)持續(xù)發(fā)生變形、斷裂、合并的過程，擴(kuò)展成為尺寸更大的裂紋。凹坑的形成合并過程與碳化物直接相關(guān)，由于碳化物為沿晶分布，因此裂紋呈現(xiàn)沿晶開裂的特征。

工作過程中手孔內(nèi)部壓力為4.5 MPa，溫度約300℃。通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，手孔件模擬件的堆焊層在經(jīng)過封焊焊縫作用后即產(chǎn)生了微觀的DDC裂紋，從而形成了裂紋源，經(jīng)過多次啟停產(chǎn)生的加載和卸載后，形成圖2所示宏觀裂紋。

圖6 堆焊層微觀特征

4 模擬件的應(yīng)變

裂紋的形成除了與碳化物的析出形態(tài)、位置有關(guān)外，與外加應(yīng)變的大小也是直接相關(guān)的。可調(diào)拘束試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)外加應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，152堆焊金屬未發(fā)生開裂，如圖7（a）所示；當(dāng)外加應(yīng)變?cè)龃蟮?%時(shí)，可在可調(diào)拘束焊縫的熱影響區(qū)中觀察到裂紋，如圖7（b）所示。可見152熔敷金屬的應(yīng)變?nèi)菹藿橛?%～4%之間。

圖7 可調(diào)拘束試驗(yàn)結(jié)果

圖8 堆焊層表面塑性應(yīng)變分布

手孔模擬件堆焊層的有限元分析結(jié)果表明，封焊焊縫兩側(cè)的塑性應(yīng)變最大達(dá)到2.78%（如圖8所示），超過152堆焊層應(yīng)變?nèi)菹薹秶瑢?dǎo)致局部出現(xiàn)開裂。可見，手孔堆焊層的開裂是由于自身碳化物在晶界析出與焊接應(yīng)變共同作用的結(jié)果。

5 結(jié)論

（1）蒸汽發(fā)生器手孔模擬件經(jīng)過堆焊、封焊、模擬重復(fù)封焊后，復(fù)現(xiàn)出了與實(shí)際缺陷特征和位置一致的沿晶裂紋。

（2）152堆焊層開裂位置處存在長(zhǎng)條狀、顆粒狀碳化物沿晶界析出，是產(chǎn)生裂紋的先決條件。

（3）蒸汽發(fā)生器手孔152堆焊層開裂機(jī)理為碳化物誘導(dǎo)型DDC，開裂是碳化物在晶界析出與焊接應(yīng)變二者共同作用導(dǎo)致的。