“华龙一号”核电厂堆内构件钴基合金堆焊优化设计

王庆田,蒋兴钧,郭宝超,李 浩,吴冰洁,王仲辉,陈 昕

(1.中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213; 2.上海第一机床厂有限公司，上海 201306)

堆内构件是核反应堆一回路系统重要的支撑、定位和导向结构，属核安全相关级重要部件。在核反应堆堆内构件的结构中，为确保限位功能的实现并防止流致振动导致的疲劳破坏，部件之间的配合间隙应严格控制。堆内构件的上堆芯板导向销与左嵌入件、右嵌入件以及径向支承键与左U形嵌入件和右U形嵌入件，为限位配合键，分别为上部堆内构件和吊篮筒体限位。由于销与键、键与槽之间为间隙配合，即使在反应堆正常运行工况下，也将不可避免地导致键槽配合面的磨损。且随着运行时间增加，磨损会越来越大，这样导致堆内构件的振动幅度也增大，从而降低堆内构件的疲劳寿命，对反应堆安全可靠运行带来隐患。因此，为了确保堆内构件的限位精度，防止由于磨损造成关键间隙超差，键与槽、销与键之间的配合面需要选择一种合适的耐磨堆焊材料。

钴基合金是一种硬度较高且能耐各种磨损环境和耐高温氧化的硬质合金，是较为理想的耐磨堆焊材料，但钴基合金在堆焊时容易产生气孔以及冷裂纹等缺陷。在秦山二期扩建工程以及百万千瓦M310核电项目中，采用了手工钨级氩弧焊工艺堆焊的钴基合金堆焊层，多次出现质量问题[1]，包括硬度超差、气孔、夹杂、裂纹、凹坑等缺陷。在施工现场甚至在反应堆热态功能试验之后出现了较大面积的钴基合金堆焊层腐蚀现象，严重影响设备制造进度和反应堆的正常运行。针对钴基合金堆焊出现较多的质量问题，本文从钴基合金堆焊机理、设计、工艺等方面分析，提出了一些改进措施。

1 钴基合金特性与堆焊难点

钴基合金是以钴作为主要成分，加入一定数量的Ni、Cr、W和少量的Mo、Nb、Ta、Ti、La等元素组成的合金，其中含铬25%～30%，以保证具有良好的抗氧化、抗腐蚀性能。它的基体组织为奥氏体+碳化物(Cr7C3、Cr23C6、WC、W2C等)+共晶组织。钴基合金的密度、热膨胀系数、熔点等与钢铁较为接近，热稳定性能较好，且在熔化的过程中润湿性较好，有利于获得热应力小、致密性和平整性好的堆焊层，具有良好的抗冲击性能以及高温耐腐蚀性能与磨损性能[2-5]。

目前学者对钴基合金堆焊工艺和堆焊层性能研究较多[6-13]。钴基合金堆焊的难点在于预防堆焊裂纹及补偿堆焊层由于稀释(或冲淡)所引起的合金元素的降低，同时提高熔敷效率。钴基合金堆焊组织为呈树枝状结晶的CoCrW合金固溶体(奥氏体)初晶和固溶体与CrW复合碳化物的共晶体基底组成。固溶体组织为富钴合金，共晶组织中为含碳化物的硬质点。这种树枝状奥氏体及复合碳化物的共晶体组织，一般可能形成热裂纹、气孔甚至冷裂纹。

2 产品钴基合金堆焊缺陷及原因分析

2.1 产品钴基合金堆焊缺陷

核反应堆堆内构件钴基合金堆焊涉及到的零部件包括左嵌入件(见图1)、右嵌入件(见图2)、上堆芯板导向销(见图3)、左U型嵌入件(见图4)、右U型嵌入件(见图5)、径向支承件(见图6)等共24件，涉及堆焊用母材为304LN奥氏体不锈钢以及690镍基合金，母材的化学成分见表1和表2。钴基合金堆焊采用手工钨级氩弧焊，焊接材料为ERCoCr-A(Grade 6)钴基合金光焊条，主要化学分成为见表3。

图1 左嵌入件

图2 右嵌入件

图3 上堆芯板导向销

图4 右U型嵌入件

图5 左U型嵌入件

图6 径向支承件

表1 304LN奥氏体不锈钢主要化学成分

表2 690镍基合金主要化学成分

表3 ERCoCr-A(Grade 6)的主要化学成分

核反应堆堆内构件钴基合金堆焊，为在镍基合金基体和不锈钢基体上采用手工钨级氩弧焊工艺堆焊钴基合金，属于异种金属堆焊，对堆焊工艺要求较高，要求焊前要预热、焊接过程中保持较高的道间温度、焊后采取缓慢冷却和后热处理。再加上钴基合金特殊的冶金特性，在堆焊过程中较易产生堆焊缺陷。由于钴基合金具有上述特征，秦山二期扩建、红沿河、福清和方家山等多个前期核电工程采用手工钨极氩弧焊工艺堆焊过程中，多次出现了钴基合金堆裂纹、气孔、夹杂等缺陷，且由于堆焊层质量不佳，阳江、福清等多个核电现场在热态功能试验之后出现了较为明显的腐蚀凹坑，如图7所示。

图7 阳江核电厂嵌入件腐蚀宏观形貌

2.2 堆焊缺陷产生原因

钴基合金堆焊容易产生如下缺陷。

1)冷裂纹 冷裂纹是在较低的温度下产生的裂纹。钴基合金堆焊后一般形成硬度较高的Cr7C3、Cr23C6、WC、W2C等碳化铬、碳化钨共晶组织，该组织的氢溶解度较小，当堆焊层中含有氢时，在应力的作用下(尤其是考虑到后期冷装，在过冷处理时，由于堆焊层与基体材料的线胀系数差异，也会产生较大的内应力)容易产生氢致延迟裂纹，即冷裂纹。

2)气孔主要是氢气孔，氢来源于焊接材料及母材上的碳氢化合物、水分或油渍。高温下溶入熔池的氢在焊缝凝固后仍有部分残留在焊缝金属内，其中一部分固溶于金属晶格中，一部分能在金属中扩散移动。由于钴基合金特殊的冶金特征，导致氢的溶解度较低，当后热、缓冷工艺不恰当时，氢气来不及溢出，从而产生氢气孔[14]。

3)氧化物夹杂 为防止钴基合金堆焊产生裂纹和气孔，焊接过程中道间温度保持在400 ℃左右，堆焊温度较高。从母材稀释进来的Fe元素(尤其第一层和第二层堆焊，从基体材料稀释进来的Fe元素较多)在高温条件下产生氧化物，导致堆焊层内部产生氧化物夹杂，在后期加工过程中，导致产生凹坑。

2.3 防止堆焊缺陷产生的措施

根据钴基合金堆焊缺陷的类型，主要从以下几个方面采取措施：

1)冶金措施：限制杂质元素含量，主要是S、P等元素，防止由于杂质元素导致的缺陷。

2)工艺措施：包括合理的焊接顺序、恰当的焊接线能量和热处理制度等。

3)设计措施：增加无损检验要求，并在焊接工艺评定的时候模拟产品的实际制造工艺过程。

3 钴基合金堆焊改进

据不完全统计，在海南昌江1&2号机组以及二代加改进核电工程建设过程中，每个核电机组均出现了堆焊缺陷，有些缺陷在堆焊层机加工后出现，有些缺陷是在装配焊接后才发现，尤其是在海南昌江1&2号机组堆内构件制造阶段，8件U型嵌入件100%出现了堆焊气孔、裂纹、夹杂等缺陷，其中3件U型嵌入件由于缺陷尺寸超出设计使用范畴，直接报废处理，另一件由于缺陷尺寸不影响使用，办理让步接收使用。甚至到昌江核电厂现场安装阶段修磨后再次发现新的缺陷，最终导致报废，对施工进度也造成影响。

针对钴基合金多次出现堆焊缺陷却一直没能解决的工程实际，在多次分析缺陷产生原因的基础上，从设计、工艺等方面采取了一系列处理措施。

3.1 设计方面采取的措施：

1)增加堆焊层的体积检查：在堆焊后对堆焊层进行超声波检测，从熔敷金属表面采用纵波双晶直探头进行检测，以保证能探测到堆焊层、熔合面以及母材近表面内的缺陷。根据设计要求以及工程实际能达到的检测范围，设置的超声波对比试块见图8。通过超声波检验，提前发现堆焊层内部的缺陷，并采取补焊等措施，避免堆焊层加工到尺寸后无法补焊可能导致报废的现象发生。

图8 超声波检验对比试块

2)焊接工艺评定应模拟堆焊件的全部热循环：之前的焊接工艺评定，只规定了预热、道间温度、后热和缓慢冷却热循环，而对于产品的冷装工艺没有做相应规定。为了全面考核焊接工艺的恰当性，应模拟产品制造及安装的全部热循环过程，即增加过冷处理模拟，在液氮或丙酮(或乙醇)与干冰的混合物中进行过冷处理，见表4。上堆芯板导向销在液氮中冷却至少1 h；径向支承件在丙酮(或乙醇)与干冰的混合物中冷却至少3 h。在过冷前后分别进行液体渗透检验和超声波检验，以检查过冷后是否有新的缺陷产生。此外，为考核过冷处理对不锈钢基体材料、堆焊层的影响，还应检验过冷处理前后的变化，包括组织是否存在马氏体组织转变等，全面检验焊接工艺的合理性。

3.2 工艺方面采取的措施

1)合理的热处理制度，包括堆焊前预热、道间温度、后热温度、焊后缓慢冷却措施等，降低焊接时的应力，并利于氢气的排出，降低气孔和冷裂纹产生的概率。为此制定了如表4所示的热处理制度。

表4 堆焊过程中的热循环

2)较低的堆焊线能量，尤其是第一层和第二层的堆焊，应采用较小直径的光焊条和较低的焊接电流，以降低稀释率，防止基材中Fe元素过多的进入堆焊层形成氧化物夹杂，并可避免奥氏体柱状晶粗大及杂质的偏析。在堆焊的时候，第一层和第二层选择φ3.2 mm的光焊条，焊接电流控制在下限的参数范围；为了提高效率，第三层及第四层堆焊的时候，可选择φ4 mm的光焊条，焊接电流可适当提高。

3)增加熄弧板：总结前期堆焊层的缺陷，大多出现在收弧位置处，因为堆焊时，在保护气体以及电弧力的作用下，夹杂物、氧化物等易被带到收弧位置处，因此收弧部位缺陷较多。为此增加熄弧板，大大降低了凹坑缺陷的产生。

4)机械打磨：堆焊过程中由于保持较高的温度，不可避免的会产生氧化物，因此在堆焊过程中宜采用不锈钢钢刷等，将表层氧化物刷掉去除，降低氧化物夹杂的出现，可大大降低后期机加工表层出现凹坑的风险。

5)连续施焊：由于堆焊面积和堆焊层厚度较小，因此宜采取连续焊接直至堆焊完成，避免间断堆焊中的加热、冷却不均匀产生较大的内应力和裂纹。

6)正确选择焊接顺序，以减小焊接变形，降低焊接应力。

7)堆焊前保持基体材料和光焊条干燥、无油渍，降低气孔出现的概率。

3.3 钴基合金堆焊金相检验

堆内构件零件钴基合金堆焊后进行了金相检验，检验结果见图9，无亚共析组织，裂纹和过度渗碳现象出现；过冷处理后对不锈钢基体材料、堆焊层的无影响，组织无变化。

图9 钴基合金堆焊层微观金相

4 结 论

在吸取前期二代加核电工程钴基合金堆焊较多缺陷的基础上，“华龙一号”福清5、6号核电厂堆内构件钴基合金堆焊进行了设计和工艺创新，包括首次提出对堆焊层进行体积检查、模拟过冷处理等，堆焊后的检验结果表明：

1)钴基合金堆焊层表层硬度均匀，硬度线过渡较为柔和，无微裂纹和过度渗碳现象发生。

2)堆焊零件的体积和表面检验后，没有出现线性裂纹情况，且凹坑、气孔缺陷的尺寸和数量大大降低。

近年来，随着增材制造(3D打印)工艺的飞速发展，其技术越来越成熟。将激光熔覆(送粉)增材制造技术用于核反应堆堆内构件的钴基合金堆焊上，激光束能量高、功率大，熔覆材料的加热、冷却速度很快，能得到的熔覆层组织致密、晶粒细小，且激光堆焊能量密度高，激光束聚焦集中，零部件堆焊时热输入小，变形小，堆焊层稀释率低。且大大降低传统手工TIG焊接导致的气孔、裂纹、夹杂等缺陷，非常具有应用前景，目前我们正在开展钴基合金激光熔覆的科研工作。