（材料加工工程专业论文）clam钢焊接热模拟及焊接接头液态锂铅腐蚀行为.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 低活化马氏体铁素体钢( r a f m 钢) 以其优良性能，被普遍认为是未来聚变 示范堆首选结构材料，中国低活化马氏体钢( c l a m 钢) 是具有中国自主知识产 权低活化铁素体，马氏体钢。目前，c l a m 钢焊接方向研究局限于焊接方法选择以 及焊接工艺优化，定性的研究了不同热循环条件下c l a m 钢焊接接头的显微组织 等。尚缺乏在焊接热循环条件下组织的定量研究，同样的，c l a m 钢液态锂铅耐 腐蚀性能研究目前局限于其回火状态，焊态c a l m 钢液态锂铅耐腐蚀性能也需要 进一步研究。 本文利用焊接热模拟的参数任意可调性，对c l a m 钢进行t i g 焊焊接热模拟 试验。研究了焊接接头处，焊接过程中受热峰值温度在1 4 0 0 左右，综合性能较 差的焊接过热区( c g h a z ) 的显微组织与性能，并建立了s h - c c t 曲线。c l a m 钢基体组织为马氏体和铁素体组织，随着热循环冷却时长的增加，晶粒逐步长大， 碳化物弥散析出，铁素体量逐步增加。c l a m 钢焊接a c 3 、a c l 、m s 转变温度分 别为9 7 8 、9 1 5 、4 3 0 ；当t 8 ，5 为1 3 6 s 、2 5 0 s 、5 0 0 s 、1 0 0 0 s 、1 5 0 0 s 时，铁素 体含量分别约为4 、7 、7 、8 、1 3 ；c l a m 钢焊接线能量处于1 0k j e m 1 6 k j e m 范围内，c g h a z 具有较好冲击性能。双层焊工艺会导致更为严重的d e l t a 铁素体析出。c l 蝴钢经单层焊接热模拟并进行回火处理，金相分析显示，较高 的回火温度，会引起晶粒的显著长大。随着回火的温度的增加，试样硬度值降低 至2 0 0 h v 左右后趋于稳定。 腐蚀研究显示在腐蚀温度5 5 0 、液态锂铅流速0 m s ( 静态) ；腐蚀温度4 8 0 、液态锂铅流速0 0 8 m s ( 动态) 工况下，c l a m 钢焊接接头内部无锂铅渗透， 表面腐蚀均匀。焊态下c l a m 钢耐腐蚀性能远低于回火态，焊缝区粗大的马氏体 板条会导致更高的腐蚀量。静态工况条件下，5 0 0 h 试样失重为0 2 7 2 m g c m 2 ( 0 3 1 1 u n ) ，1 0 0 0 h 试样失重为0 4 0 3 r a g e r a 2 ( 0 4 5 1 u n ) ；动态工况下，5 0 0 h 、1 0 0 0 h 腐蚀失重分别为0 4 9 1 m g c m 2 ( o 5 5 p r o ) ，0 6 4 1 m g c m 2 ( 0 7 2 1 a m ) ，腐蚀速率随腐 蚀时间的延长而有所下降。静态、动态工况条件下c l a m 钢焊接接头腐蚀表面的 元素组成有所差异，c r 元素的存在形式对于焊接接头耐腐蚀性有较大影响，当焊 c l a m 钢焊接热模拟及焊接接头液态锂铅腐蚀行为 缝区马氏体板条与腐蚀表面呈小角度角时易成为易腐蚀区域，易腐蚀区域为马氏 体板条贫铬区域，呈条状分布。分析认为易腐蚀区域的存在是导致腐蚀过程中， 前期、后期腐蚀速度不同的原因之一。本文据此提出了焊接接头易腐蚀模型( e c a m o d e l ) 和分析方法。焊接接头特别是焊缝区域是核聚变固态包壁耐腐蚀防护的重 点区域。 关键词：c l a m 钢；焊接热模拟；液态锂铅；腐蚀 江苏大学硕士学位论文 r e d u c e da c t i v a t i o nf e r r i t i c m a r t e n s i t i c ( r a f m ) s t e e l sa r ec o m m o n l yc o n s i d e r e da s t h ep r i m a r ys t r u c t u r a lm a t e r i a l sf o rt h ed e m of u s i o np l a n tb e c a u s eo ft h ee x c e l l e n t p r o p e r t i e s c h i n al o w a c t i v a t i o nm a r t e n s i t i c ( c l a m ) s t e e li st h er a f ms t e e lw h i c h h a si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sw i t hc h i n e s e c u r r e n tr e s e a r c h e sm a i n l y f o c u so nt h ef i e l d ss u c ha ss e l e c t i o no fd i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e s s e sa n do p t i m i z a t i o no f w e l d i n gp a r a m e t e r s ，w i t hq u a l i t a t i v ea n a l y s i so nt h em i c r o s t r u c t u r eo f t h ew e l d e dj o i n t s u n d e rd i f f e r e n tt h e r m a lc y c l i n g ，h o w e v e r , t h eq u a n t i t a t i v e a n a l y s i si sn o tc o v e r e d l i k e w i s e ，r e s e a r c ho nt h ec o r r o s i o nb e h a v e ro fc l a ms t e e l si nl i q u i dp b 一1 7 l ii s l i m i t e dt ot e m p e r i n gs t a t e t h es e r v i c ep e r f o r m a n c eo fc l a ms t e e lw e l d e dj o i n t si nl i q u i d l i 一1 7 p bn e e d st ob ef u r t h e rs t u d i e d t h ew e l d i n gt h e r m a ls i m u l a t i n gm a c h i n e ，o fw h i c ht h ep a r a m e t e r sc 觚b ea d j u s t e d a r b i t r a r i l y , i su s e di nt h i sp a p e rt os t u d yt h et h e r m a lc y c l i n go ft h ec o a r s eg r a i n e dr e g i o n o fc l a ms t e e lw e l d e dj o i n tw h e r et h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e sa r er e l a t i v e l yp o o l q u a n t i t a t i v er e s e a r c ho nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t m c t u r eo fc o a r s eg r a i n e d h e a ta f f e c t e dz o n e ( c g h a z ) u n d e rg e n e r a la n de x t r e m ew e l d i n gt h e r m a lc y c l i n g c o n d i t i o ni sc a r r i e do u t a sw e l la st h ee s t a b l i s h m e n to fs h - c c tc u r v e ，i sw o r k e do u ti n t h ep a p e r t h er e s u l t sr e v e a lt h em a t r i xm i c r o s t r u c t u mo fc l a ms t e e li ss t i l lm a r t e n s i t e a n df e r r i t ea f t e rd i f f e r e n tt h e r m a lc y c l i n g w i t ht h ei n c r e a s i n go fe o o l 崦t i m e ，t h e g r a i n so fc l a ms t e e lg r o wu p ，t h ec a r b i d ep r e c i p i t a t e sa p p e a ra n d d e l t af e r r i t e i n c r e a s e d t h et e m p e r a t u r e so fa c 3 ，a c la n dm sa r e9 7 8 c ，9 1 5 ca n d4 3 0 c ， r e s p e c t i v e l y , w h e nt h ev a l u e so f 1 8 5a r e1 3 6 s ，2 5 0 s ，5 0 0 s ，1 0 0 0 sa n d1 5 0 0 s ，t h e c o n t e n t so ff e r r i t ea r e4 ，7 ，7 ，8 a n d1 3 ，r e s p e c t i v e l y r e l a t i v e l yb e t t e r i m p a c tp r o p e r t i e sc a l lb eo b t a i n e dw h e nt h eh e a ti n p u tr a n g e s1 0 k j e r at o1 6 k j c m ， t h e r e f o r e t h es i m u l a t e dr e s u l t so fd o u b l e l a y e rw e l d i n gp r o c e s ss h o wt h ep r e c i p i t a t i o n o fd e l t af e r r i t ea tc g h a z ，i sm u c hm o r es e r i o u sc o m p a r e dw i t ht h em o n o l a y e rw e l d i n g p r o c e s s h i g h e rt e m p e r i n gt e m p e r a t u r el e a d st om u c hl a r g e rg r a i n s w i t ht h ec o n t i n u e i n c r e a s i n go ft h et e m p e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h eh a r d n e s so fs p e c i m e nd e c r e a s e s t o2 0 0 h v , a n dt h e nk e e p sb a s i c a l l ys t a b l e c o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r e dt h ee f f e c to ft e m p e r i n g p r o c e s so nb o mt h eh a r d n e s sa n dt h eg r a i ns i z e ，t h et e m p e r i n gt e m p e r a t u r ei sa d v i s e dt o b e7 6 0 一8 1 0 1 ( ：l a m 钢焊接热模拟及焊接接头液态锂铅腐蚀行为 t h ec o r r o s i o ne x p e r i m e n to fc l a ms t e e lw e l d e dj o i n t ss h o w s1 1 0p e n e t r a t i o no f l i p bi n t om a t r i xi so b s e r v e db o t hi nt h es t a t i ca n dt h ed y n a m i cc o n d i t i o n ，a n dt h e s u r f a c e so fs p e c i m e na r eu n i f o r m l yc o r r o d e d t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ea s - w e l d e d c l a ms t e e li sm u c hw o i t h a nt h a to ft h et e m p e r e dc l a ms t e e l ，c o a r s e - g r a i n e d m a r t e n s i t el a t hi nw e l d i n gz o n el e a d st oh i g h e rc o r r o s i o nq u a n t i t y a f t e r5 0 0 ha n d1 0 0 0 h o fc o r r o s i o ni ns t a t i cc o n d i t i o n sa t5 5 0 c ，t h ew e i g h tl o s s e so ft h et e s t e ds p e c i m e n sa r e 0 2 7 2 m g c m 2 ( 0 3 a o 岬) a n d0 4 0 3 r a g c m 2 ( 0 4 5 0 邮a ) ，r e s p e c t i v e l y a f t e r5 0 0 ha n d 1 0 0 0 ho fc o r r o s i o ni nd y n a m i cc o n d i t i o n so fw h i c ht h ef l o wr a t eo fl i q u i dl i p bi s 0 0 8 m s ，t h ew e i g h tl o s s e s ，w h i c ha r em u c hh i g h e rt h a nt h a to ft e m p e r e dc l a ms t e e l ， a r g0 4 9 1 m g c m 2 ( 0 5 5 i t m ) a n d0 6 4 1 m g c m z ( 0 7 2 p m ) ，r e s p e c t i v e l y w i t ht h e i n c r e a s i n go ft h ec o r r o s i o nt i m e ，t h ec o r r o s i o nr a t ed e c r e a s e s e l e m e n t so nt h es u r f a c e o fw e l d e dj o i n t sa l eal i t t l ed i f f e r e n tb e t w e e nt h es i t u a t i o n si nt h es t a t i ca n dd y n a m i c c o n d i t i o n s t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h eb a s em e t a ld e p e n d sm u c ho l le x i s t i n gf o r mo f e l e m e n tc r t h er e g i o nw h e r et h em a r t e n s i t el a t hd i s t r i b u t e st o w a r d st h es u r f a c ew i t ha s m a l la n g l ei sm o r ee a s i l yt ob ec o r r o d e d t h e r e f o r e ，t h ee a s i l yc o r r o d e da r e a , w h i c hi s a l li n f l u e n c ef a c t o ro ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec o r r o s i o nr a t e so ft h ee a r l i e ra n dl a t e r s t a g e s ，i s t h ec h r o m i u md e p l e t e dz o n eo fm a r t e n s i t el a t ha n di th a sab a n d i n g d i s t r i b u t i o n t h i sp a p e re x p o u n d sa l le a s i e rc o r r o s i na r e a ( e c a ) m o d e lo ft h e w e l d j o i n ta n da n a l y s i sm e t h o d t h u s ，t h ew e l d e dj o i n t ，e s p e c i a l l yt h ew e l d i n gz o l l e ，i s t h ek e yp r o t e c t e dr e g i o no ft h es o l i db l a n k e ti nf u s i o nr e a c t o r k e y w o r d ：c a l ms t e e l ，w e l d i n gt h e r m a ls i m u l a t i n g ，l i q u i dl i - 1 7 p b ，c o r r o s i o n 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 核聚变能源发展与研究 1 1 1 能源发展简介 当今世界能源的发展，是全世界、全人类共同关心的问题。能源是人类活动 的物质基础。从某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能 源技术的使用。化石能源一直是人类近代发展的重要的能源需求支撑，自工业革 命以来，在稳定能源供应的支持下，世界经济规模取得了较大增长。每一次能源 时代的变迁，都伴随着生产力的巨大飞跃，极大地推动了人类经济社会的发展【1 1 。 但是，人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到一系列 无法避免的能源安全挑战，能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污 染等问题威胁着人类的生存与发展。据估计，1 0 0 年后地球上的化石能源将会枯竭。 所以新能源的开发是社会发展的重要基础。 爱因斯坦质能方程的提出，使得人们认识到了核能利用的可能性，目前核裂 变以其原材料获得技术成熟，可控核裂变的反应条件相对简单，初始温度低等优 势，已经大规模商业化；核聚变作为另一种核能形式，目前尚未实现商用化。核 聚变反应较裂变反应存在两大优势：其一是地球上聚变原料蕴藏丰富。蕴藏的核 聚变能约为核裂变能的1 0 0 0 万倍。其二聚变无核废料，不会发生核泄露事故，反 应干净安全。所以从长远来看，核聚变能源将成为人类社会发展的主要能源，人 类将从“石油文明”走向以核聚变能源为主，核裂变能源为辅的“核能文明”f 2 】。 1 1 2 核聚变托卡马克装置及研究进展 自上世纪5 0 年代以来，热核聚变试验堆的研究制造工作一直在进行中，其主 要工作集中于研究托卡马克约束装置，国际热核聚变试验堆以“托卡马克”概念为基 础。“托卡马克”是一种环形容器，四周用线圈缠绕以产生强磁场束缚带电粒子，以 达到容纳粒子，并保证聚变所需要的条件。近年来聚变试验堆的概念设计已取得 了较好的研究成果，试验堆的各组件要求已经明确。图1 1 为我国中科院等离子体 研究所f d s 团队设计的超导托卡马克核聚变试验装置( e x p e r i m e n t a la d v a n c e d c l a m 钢焊接热模拟及焊接接头液态锂铅腐蚀行为 s u p e r c o n d u c t i n g t o k a m a k 简称e a s t ) 与试验包层模块( t b m ) 结构图【3 1 。试验包 层模块作为国际热核聚变实验堆( r r e r ) 工程试验目标的一个重要组成部分，它 将验证未来聚变反应堆实现氚产生和提取、热能的取出及转换等关键技术。包层 模块位于磁约束聚变反应堆装置的赤道面位置，其面对中子流强最高、热流密度 最大，并直接面对等离子体，性能要求尤为严格。 图1 1 全超导非圆截面核聚变试验装置与试验包层模块 f i 9 1 1e x p e r i m e n t a la d v a n c e ds u p e r c o n d u c t i n gt o k a m a ka n dt b m 1 1 3 聚变反应堆结构材料 由于热核聚变试验堆的试验包层模块特别是第一壁需要承受等离子体、中子 轰击。等离子体、中子辐照可以引起材料的辐照肿胀，以及产生放射性废料等问 题，为此材料领域设计出了一系列具有低活化、低辐照肿胀、高力学性能的材料。 具有代表性的主要有以下四类结构材料。 ( 1 ) 核裂变反应堆材料奥氏体钢。奥氏体钢具有制造工艺成熟，较好的焊 接性能，经冷加工后可以有效的抵抗裂变堆辐照损伤等优点。但其模拟聚变堆辐 照环境条件下表现为：物理性能较差，钢中易产生氦气泡。具体缺点包括：热应 力因子低、表面通量能力有限、抗肿胀差、抗液态金属腐蚀能力有限等。 ( 2 ) 钒合金具有低活化、热应力因子高、高温强度优，与液态锂相容性好的 特点，因此其已成为聚变堆第一壁和包层部件有吸引力的材料1 4 】。目前限制钒合金 结构材料发展的是缺乏大量生产的工业基础，现阶段钒合金多为实验室炼制。 ( 3 ) s i c 纤维增强的s i c 母材复合材料具有较低的中子辐照感应性，极好的 高温强度、抗辐照肿胀和抗腐蚀能力，是正在被考虑的聚变堆结构材料【5 1 。 ( 4 ) 低活化铁素体马氏体钢( r e d u c e da c t i v a t i o n f e r r i t i c m a r t e n s i t i cs t e e l s ， 2 江苏大学硕士学位论文 r a f m 钢) 。其中低活化材料的含义是经过若干年辐照后，其放射性主要来自于短 寿命或中等寿命放射性元素的材料。所以，经聚变反应堆服役的低活化马氏体钢 在放置3 0 0 年后其放射性水平将能够满足手工处置条件 6 1 ，r a f m 钢是目前被认为 是核能届公认的较为合适的聚变堆第一壁的首选结构材料【7 】，有较好的热物理性能 吼从抗辐照，特别是抗相不稳定性和抗韧性脆性转变温度( d b l - i i ) 升高来看， 是最有前途的合金，也是本文的研究对象。 1 2中国聚变堆结构材料发展及焊接研究现状 1 2 1c l a m 钢成分设计及熔炼 2 0 0 1 年，中科院等离子所同国内多家单位合作，开发了具有中国自主知识产 权的、成分及性能优化的r a f m 钢，即中国低活化马氏体钢( c h i n al o w a c t i v a t i o n m a r t e n s i t i c ，c l w ) 。c a l m 钢由于低活化的要求，和其他低活化钢一样，采用 w ，n 和v 等合金元素来取代常规铁素体马氏体中的m o ，n b 和n i 等。 图1 2 c l a m 钢 f i g 1 2 c l a ms t e e l 目前我国实验室小规模冶炼的c l a m 钢的性能已达到国际同类钢种的先进水 平。而建造核聚变实验堆需要c l a m 钢的吨级冶炼技术，0 9 年底，国内聚变堆设 计研究人员成功完成了中国低活化马氏体的吨级规模冶炼，使我国在核聚变堆用 低活化钢方面的研究真正达到了国际先进水平。图1 2 为吨级规模冶炼c l a m 钢 以及加工的各类尺寸型材。 1 2 2 c l a m 钢力学及物理性能 c l a m 钢的力学性能主要包括拉伸性能、冲击性能、断裂韧性、抗蠕变性和 虽 c l a m 钢焊接热模拟及焊接接头液态锂铅腐蚀行为 疲劳性能等【9 。1 1 1 。其室温及高温拉伸性能见表1 1 所示。 表1 1c l a m 钢的拉伸性能 t a b 1 1t e n s i l ep r o p e r t i e so fc l a m 低活化马氏体钢为体心立方结构钢，易产生冷脆现象，导致其冲击能量明显 降低。研究发现中子辐照作用会导致韧脆转变温度温度上升，影响到材料的正常 工作。故d b t r 值是c l a m 钢的一个非常重要的参数。试验采用c l a m 钢的d b i t 值低于国际上所报道的多数低活化马氏体钢的值，具有较好的低温冲击韧性。疲 劳性能及断裂韧性直接关系到核聚变试验堆安全运行问题，研究材料的疲劳性能 和断裂韧性的研究对聚变反应堆设计与安全运行重要，目前关于c a l m 钢疲劳性 能及不同热处理条件下的裂纹扩展性能以及断裂韧性测试正在研究之中。 c l 蝴钢的物理性能测试包括：密度、比热、热导率、热膨胀系数、弹性模量、 电阻率以及磁性能等。由于c l a m 钢工作温度较高，研究工作者对于c l a m 的高温 物理性能同样开展了相应研究。热导率和热膨系数随温度变化曲线分别如图1 3 、 图1 4 所示。磁感应强度与磁导率随温度变化数据如表1 2 所示。 4 图1 3 热膨胀系数随温度变化曲线 f i 9 1 3t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n to fc l a m v s t e m p e r a t u r e 图1 4 热导率随温度变化曲线 f i 9 1 4t h e r m a lc o n d u c t i v i t yf o rc l a m v s t e m p e r a t u r e 江苏大学硕士学位论文 c l a m 钢作为热核聚变堆的包层结构材料，用之制造的t b m 内部冷却流道、 锂铅流道结构复杂，不同位置流道尺寸、隔板尺寸等各异，决定了其整体成型困 难，需要通过焊接技术将各包层部件连接成型。同时t b m 恶劣工作环境要求c l a m 钢焊接接头具有更好的性能，可以说提高c l a m 钢焊接接头的性能是 i b m 能否 满足需求、走向实际应用的关键技术之一。当前国内多所研究机构对c l a m 钢焊 接进行了相关的研究，包层模块的第一壁、隔板和盖板内存在流道，焊接难度在 于不破坏流道壁，控制残余变形；模块内部空间狭小，也增加了焊接的难度。c l a m 钢焊接方法主要有熔化焊、扩散焊等。熔化焊在c l a m 钢的连接过程中有着不可 替代的作用，c l a m 钢的熔化焊接方法有钨极氩弧焊、激光焊、等离子焊、电弧 超声t i g 焊等。熔化焊接头由于焊接的热输入，焊缝金属重熔结晶，热影响区晶 粒长大，以及d e l t a 铁素体出现严重影响了焊接接头的性能。焊接接头容易出现焊 缝区硬化、时效倾向、热影响区( h a z ) 软化现象，以及冷裂纹等焊接缺附1 2 1 5 】。 目前的熔化焊焊接的主要研究工作集中在控制焊接方法、工艺的选择以及焊后热 处理的研究，尤其关注在辐照，热时效，液态锂铅三种环境中焊接接头的性能， 例如：微观硬度、马氏体板条大小形貌、沉淀相成分以及与其力学性能之间的关 系、拉伸性能、冲击性能( d 哪以及断口形貌等【幡1 8 1 。焊后热处理温度和时间的 变化都会造成焊缝质量的起伏，同时焊接还会对低活化马氏体钢的抗腐蚀性能【1 9 】 产生影响，焊缝金属经辐照后可能会产生辐照脆化、辐照肿胀等现象陟衄。扩散 焊主要采用热等静压扩散焊接工艺，其接头无热影响区存在，焊后几乎无变形， 但是其接头强度特别是接头冲击性能差1 2 3 1 。 5 c l a m 钢焊接热模拟及焊接接头液态锂铅腐蚀行为 1 3 焊接热模拟技术的应用 1 3 1 国外的发展状况 热模拟技术的发展是与热模拟试验装置的不断完善密切联系在一起的。世界 上最早在材料和热加工领域采用热模拟技术的国家是美国【2 4 ，2 5 】。日本研制的热模 拟试验装置是以高频感应加热方式加热，即在试样周围套感应圈，利用试件中产 生的感应电流( 涡流) 的热效应加热。英国除了各种改装的热模拟机外，随着弹塑性 断裂力学c o d 实验方法在英国标推化后，其热模拟机具有大功率的特点。法国是 世界上在热模拟设备上采用电子计算机最早的国家之一，并在模拟扭转试验方面 卓有成效。德国、荷兰、意大利、加拿大、瑞典、比利时、澳大利亚、罗马尼亚、 捷克等国家，也研制或仿制了各种不同型号与用途的热模拟试验装置。 1 3 2 国内的发展状况 中国是世界上开发应用热模拟技术极有成效的国家之一。我国从6 0 年代初就 开始应用热模拟技术并研制热模拟试验装置。中国研制的热模拟试验装置，早期 基本上是仿h m e t 及g l e e b l e ，以后结合中国国情进行了改进或重新设计，其性能 指标及其控制方式具有某些独到之处。这些国产设备成功地服务于一些高等院校 和研究部门，解决了热加工领域的许多科研难题及实际工程项目，标志着中国的 热模拟技术水平达到了一定的高度。近2 0 年来，中国又陆续引进了3 0 多台日本、 美国生产的目前世界上最先进的热模拟试验机，有力地推动了中国热模拟技术的 迅速发展。 1 3 3 焊接热模拟技术的实际应用 。由于焊接热影响区的组织及性能对焊接接头的质量有很大的影响，因此深入 研究热影响区中的各区段组织性能是非常必要的。然而热影响区中的各区段非常 狭窄，很难单独取出进行相应的试验研究。采用热模拟技术，就可以在一定尺寸 的试件上，模拟焊接热循环及焊接应力应变对焊接热影响区中某个区段的影响， 从而研究该区段的组织及性能的变化规律。利用该项技术可以研究金属的焊接性， 例如：焊接热影响区的力学性能、焊接接头的高温强度、焊接接头的脆化及软化等。 6 江苏大学硕士学位论文 也可以研究材料焊接过程中的热裂纹、冷裂纹、再热裂纹等。此外，还可测定钢 材的模拟焊接热影响区的连续冷却转变图( s h c c i t 图) 。该项技术焊接方向的应用 可分 2 6 2 7 1 ： 研究焊接热影响区不同区段的组织及力学性能 研究焊接热影响区的粗晶脆化 研究焊接热影响区的热应变脆化 研究冷裂纹、热裂纹、再热裂纹及层状撕裂的形成条件及产生机理 绘制焊接连续冷却转变图( s h c c r 图) 1 3 4 焊接热模拟技术存在的局限性 实际的焊接接头中，热影响区是一个很狭窄的区域。在这个小区域中，焊接 时的温度梯度变化急剧，各点的组织性能连续变化而又彼此相互制约。而焊接热 模拟试件是加热温度、组织变化均匀的隔离体，因此，这些试件在加热和冷却过 程中的动态行为及变化必然与实际焊接接头中的相应部位存在差异。试验研究工 作中所表明的情况有以下几点【2 8 】： ( 1 ) 模拟试样的晶粒比实际焊接热影响区中相应部位的晶粒要大。造成这一现 象的原因，主要是实际热影响区的温度分布不均匀。实际热影响区中某点晶粒的 长大受到温度梯度及组织梯度的障碍，而模拟试样中的不存在这些障碍，而是在 整个模拟试样的均温区内长大。所以模拟试样的晶粒度比实际热影响区中相应部 位的晶粒度大。此外，在模拟焊接热循环的测定与控制方面也会有些误差， 这也 是造成晶粒度差异的原因之一。 ( 2 ) 在实际的焊接接头中，热影响区特别是熔合区附近的应力应变动态过程相 当复杂，这是很难进行实测的。然而，在热模拟试验中，应力应变的模拟为特别 设定的曲线，这与实际的应力应变规律存在差异。由于焊接接头中的应力应变行 为对于组织转变及焊接裂纹的形成影响较大，所以模拟出实际的应力应变规律， 仍是当前科学研究的重要课题。 总之，在进行试验研究工作中，为保证模拟组织与实际热影响区的组织一致， 则需要将模拟最高温度控制在略低于实际的最高温度。这种处理仅是从组织及晶 粒度相似来考虑的。 7 c l a m 钢焊接热模拟及焊接接头液态锂铅腐蚀行为 1 4 液态锂铅中c l a m 钢耐腐蚀性研究简介 1 4 1 锂铅包层简介 包层是实现聚变能应用的关键能量转换部件。其主要功能包括氚增殖、能量 转换和辐射屏蔽等，以完成中子能量沉积与维持系统氚自持。目前，包层研究处 于发展阶段。液态锂铅包层作为一种液态增殖剂包层同固态包层相比，优点体现 于以下几点【2 9 1 ： ( 1 ) 对托卡马克复杂几何有很好的适应性，具有很好的中子经济性以及高的氚 增殖能力； ( 2 ) 液态金属增殖剂本身也是氚循环载体，加之氚在其中的溶解度很低，可以 设计实时在线的氚提取系统，因而也减少了包层更换频率，提高了堆的可用性； ( 3 ) 液态金属循环系统的存在可以实时在线补充消耗掉的l i 同位素，因此液态 金属增殖剂是一种无寿命限制的增殖材料； ( 4 ) 液态增殖剂由于具有很好的导热和载热能力，允许设计高功率密度、高热 效率包层系统。 液态锂铅包层具有其固有的优势和特性，但也有需要研究解决的关键技术问 题，主要包括与强磁场的相互作用效应，以及与结构材料的相容性问题。 1 4 2c l a m 钢耐腐蚀性研究现状 c l a m 钢与液态锂铅的相容性一直是聚变堆液态金属锂铅包层研究领域的热 点问题之一i 邶1 1 。f d s 团队于2 0 0 5 年首次对c l a m 钢样品及3 1 6 l 不锈钢样品进 行了在4 8 0 、0 0 8 m s 动态工况下5 0 0 h 的对比腐蚀试验。研究显示c l a m 钢腐 蚀性能明显优于3 1 6 l 不锈钢 3 2 1 。y a p i n gc h e n 3 3 j 等人研究分析了c l a m 钢在动态 工况下4 8 0 的液态锂铅金属中的腐蚀情况，分别对c l a m 钢试样进行了5 0 0 h 、 3 0 0 0 h 、6 0 0 0 h 、8 0 0 0 h 的腐蚀，并检测了腐蚀表面前后的形貌、表面化学成分以及 腐蚀量的大小。研究结果显示在腐蚀初期，钝化层的存在有效地降低了c 圳钢 腐蚀速率，图1 5 为经5 0 0 h 腐蚀后的c l a m 钢表面化学成分。在分别经过3 0 0 0 h 、 6 0 0 0 h 和8 0 0 0h 的腐蚀后，c l a m 钢试样腐蚀面出现了海绵状的腐蚀坑，其深度 分别为5 0 m 、1 0 1 x r n 、1 5 1 a m 。 8 江苏大学硕士学位论文 1 4 0 0 0 1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 羞 皇 囊8 0 0 0 v 6 0 0 0 4 0 0 0 1 02 03 04 05 06 07 0 p o s i t i o ar 2 t h e m l 图1 5c l a m 钢5 0 0 h 锂铅腐蚀后表面析出相x r d 分析 f i g 1 5x r da n a l y s i so nc l a ms p e c i m e na f t e r5 0 0 ho fe x p o s u r e a ) 4 8 0 0 c ，3 0 0 h r s ：b ) 4 8 0 0 c ，5 0 0 h r s c ) 4 8 0 0 c ，10 0 0 h r s ：d 155 0 0 c ，3 0 0 h r s 图1 64 8 0 0 c 和5 5 0 0 c c l a m 钢锂铅腐蚀试样s e m 照片 f i g 1 6s e m o fc l a ms p e c i m e n st e s t e d i nf l o w i n gl i p ba t4 8 0 。ca n d5 5 0 。c 中科院等离子体物理研究所的s h e n gg a o f a 4 l 等人研究了4 8 0 c 和5 5 0 c 静态和 流动状态下( 流速为0 1 6m s ) c l a m 钢在液态锂铅金属中的腐蚀情况。分别进行 了3 0 0 h 、5 0 0 h 、1 0 0 0 h 的腐蚀试验，对腐蚀表面的形貌进行了观测，并对腐蚀机 c l a m 钢焊接热模拟及焊接接头液态锂铅腐蚀行为 理进行了分析。研究结果列出了各种腐蚀条件下c l a m 钢试样的失重量，且4 8 0 条件下腐蚀试样的失重量小于5 5 0 时的失重量；液态锂铅流速为0 1 6m s 时试 样的失重量是静态下的4 倍。c l a m 钢最易在液态锂铅中形成腐蚀坑的部位是晶 界和腐蚀表面上f e c r 损耗区。4 8 0 和5 5 0 c l a m 钢锂铅腐蚀表面形貌如图1 6 所示。 通常来说焊接接头具有应力，组织及性能不均匀等特性，晶粒严重粗大，力学 性能下降，这些因素都会对腐蚀产生一定的影响，目前关于c l a m 钢焊接接头耐 腐蚀性能及其机理方面的研究尚未见到报道。焊接接头在液态锂铅中的腐蚀行为 本文主要的研究工作重点。 1 5 本论文的意义及主要内容 本论文在中国国家自然基金( 项目号：5 0 9 0 5 0 7 9 ) 支持下开展c l a m 钢的焊 接热模拟及其焊件在液态l i p b 熔冶中的腐蚀行为研究。 目前国内对于c l a m 钢焊接进行了相关的研究，并取得了系列的成果，但是 就已发表文献来看，c l a m 钢焊接研究工作中缺乏对于焊接接头组织的定量分析 的研究，如在不同的热循环条件下d e l t a 铁素体、l a v e s 相的析出量等。而焊接热模 拟技术发展研究应用至今，已经成为了一种较为成熟的技术，利用焊接热模拟技 术几乎参数任意设定等特点，我们可以设定模拟在一般条件下以及极端条件下工 艺参数，研究d e l t a 铁素体等向的析出相转变规律和转变数量等，从而全面的研究 材料的焊接性能，并获得整体的s h - c c t 图，为焊接工艺设定提供更广范围的指 导。同时利用焊接热模拟技术，可以有效的节约材料，降低科研成本。 c l a m 钢服役性能中，耐腐蚀性能是其重要的服役性能之一，合肥中科院等 离子所对于c l a m 钢耐腐蚀性能进行了较为深入的研究，但是其研究内容仅限于 回火状态下c l a m 钢。c l a m 钢焊接接头组织跟回火态下c l a m 钢相比，其元素 分布，应力分布起伏更大，从经典的腐蚀理论角度来看，这些因素通常会显著降 低材料的耐腐蚀性能，因而研究c a l m 钢焊接接头耐腐蚀性能，对于评估热核聚 变第一包层的服役寿命等参数具有非常重要的意义。一般来说焊接接头区域组织 较为复杂，通常包括焊缝区、熔合线区、热影响区以及母材区域等。在实际焊接 过程中，各区域体积较小，且分布规律性差，难以有效的区分。c l a m 钢焊接接 江苏大学硕士学位论文 头耐腐蚀性能研究的重要的研究内容之一就是定量的研究焊接接头各区域的耐腐 蚀性能，全面的分析焊接接头与高温液态锂铅溶液的耐腐蚀性。在本课题研究的 过程中，在初期试验中，对实际焊接c l a m 钢焊接接头进行腐蚀性能研究，以初 步评估c l a m 钢焊接接头的耐腐蚀性能，研究焊接接头锂铅溶液腐蚀机理，针对 于前期研究结果，在本课题研究的中后期，利用热模拟技术模拟制备焊接接头各 区域均匀组织，用于研究c l a m 钢焊接接头耐腐蚀性能，从而全面的研究c l a m 钢焊接接头耐腐蚀性能以及腐蚀机理。 本论文的主要工作可以概括为两个部分： ( 1 ) 利用物理热模拟技术对c l a m 钢进行热模拟试验，测定了c l a m 钢焊接 s h - c c t 曲线，研究线能量对于d e l t a 铁素体析出的影响，为c l a m 钢焊接工艺的 制定和优化提供参考，设定热模拟参数模拟c l a m 钢焊件各区域热循环过程，得 到均匀的焊接接头各区域组织，供于后续的高温液态锂铅腐蚀性能研究。 ( 2 ) 研究c l a m 钢焊接接头在液态锂铅溶液中的腐蚀行为，利用s e m ，e d s 、 e d x 、x r d 等技术手段，检测分析了腐蚀后试样焊缝区域、热影响区域表面以及 截面形貌、元素变化组成，对c l a m 钢腐蚀机理做出了初步研究，为结构材料 c l a m 钢在液态锂铅包层中的应用提供了依据和支持。 c l a m 钢焊接热模拟及焊接接头液态锂铅腐蚀行为 2 1 试验材料 第二章试验材料、设备与方法 试验使用c l a m 钢编号为h e a t0 9 1 2 a 。铸件经去除表面氧化层，在1 2 0 0 热轧加工，9 8 0 。c 3 0 m i n 奥氏体化处理后水淬后经7 6 0 9 0 m i n 回火处理所得，其 主要化学成分见表2 1 。图2 1 、2 2 为试验用的低活化马氏体钢微观组织。 表2 1c l a m 钢的化学成分 t a b l e 2 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc l a ms t e e l 图2 1 母材金相组织图2 2 母材s e m 照片 f i 9 2 1o p t i c a lm i c r o g r a p ho fb a s em e t a lf i 9 2 2s e mm i c r o g r a p ho fb a s em e t a l 2 2 试验过程 2 2 1 热模拟试验过程