镍基焊缝中析出相对失延裂纹(DDC裂纹)的影响及控制

Ni-based filler metal is one of the most important filler metals in building the key components of nuclear power plants, however, Ductility dip cracking (DDC) and inclusion defects form easily in the weldment and need to be repaired afterward. The formation mechanism of DDC and the effect of precipitation on it are still unclear. Our study found that adding Ti can form Ti(C,N) and reduce M23C6 phase, which led the reduction of DDC number in the weld metal. However, the increase of Ti content in filler metal will cause the inclusion defects. Phase diagrams calculation showed that Nb is an element forming high temperature MC phase, also its affinity with oxygen is poor and not easy to form oxide. Adding Nb in the weld metal in stead of Ti partially is proposed in this study to reduce the sensitivity of inclusion defects in the weld metal. Nb can form MC precipitates to reduce the M23C6 and DDC in weld metal. The effect of Nb on the size, number, and location of the MC and M23C6 phases in Ni-based weldment will be investigated systematically. Furthermore, the structure of the interface between M23C6/matrix will be studied, which will help to understand the formation mechanism of DDC. Research results will also be a solid foundation for chemical composition control in Ni-base filler metal for nuclear power plants.

镍基焊接材料是核岛主设备焊接制造中一种重要的连接材料，在焊接过程中焊缝金属常出现失延裂纹（DDC裂纹）和夹杂物缺陷，返修频率高。人们对镍基焊缝中DDC裂纹形成机理和析出相对DDC的影响仍存在较大争论。我们的研究发现，添加微量Ti能形成高温Ti（C，N）相，减少M23C6的形成，焊缝中DDC裂纹数量明显减少，但添加Ti会增加焊缝中夹杂物缺陷。相图初步计算表明,Nb是高温MC相析出元素,且与氧的结合力较弱,不易形成氧化物夹渣。本项目拟用Nb替代部分Ti，减少焊缝中夹杂物缺陷，添加Nb来形成高温MC相，减少M23C6相和DDC裂纹。研究Nb对镍基焊缝金属中高温MC相和M23C6相析出位置、数量和尺寸的影响，观察M23C6/基体界面结构并分析其对DDC裂纹形成的影响，为澄清有争议的DDC裂纹形成机制提供更多的研究结果。本研究工作也可为制定核电用镍基焊材中微合金元素添加原则和控制范围提供理论依据。

通过相图计算设计了不同成分的镍基焊材，采用TIG焊接方法制备了熔覆金属，系统研究了不同Nb、Ti含量下焊缝金属的组织特征及其对焊缝缺陷（夹杂物和失塑裂纹）的影响，采用晶体塑性有限元方法，计算分析了焊缝金属中析出相/基体界面区域局部变形行为，探讨了镍基焊缝焊缝中高温失塑裂纹（DDC裂纹）的形成机理，提出了相应控制措施。. 实验结果表明：随镍基合金焊材中的Ti含量增加，残留在焊缝熔池中的氧化物夹杂增多（点状缺陷）。在液态熔池剧烈的扰动和碰撞作用下，这些氧化物颗粒会聚集形成氧化物团簇。表面点状缺陷和内部点状缺陷氧化物颗粒尺寸基本一致，点状缺陷中Al、Ti、Mg和Ca为其主要的金属元素。焊缝中Ti含量的减少，不利于形成MX相和控制M23C6相，增加焊缝金属的失塑裂纹敏感性。随焊缝金属中Nb含量增加，焊缝金属晶内MX（M=Nb, Ti, X=C, N）析出相增加，晶界M23C6 (M=Cr, Fe)的初始析出温度降低，晶界M23C6析出相减少，且M23C6由多列连续分布转变为单列离散分布；焊缝金属中的高温失延裂纹（DDC）的数量减少。微观分析表明M23C6在晶界上与晶界一侧γ基体为共格关系，与晶界另一侧γ基体为非共格关系，共格界面具有贫Cr区。DDC裂纹失启裂于M23C6/γ的界面，并沿M23C6与γ基体的非共格界面扩展。. 晶体塑性有限元计算分析表明：随着焊缝金属中MC体积分数的增加，焊缝金属中的最大应力值基本不变而应变值明显减低，促进了基体的更多区域发生塑性变形从而降低了试样的开裂倾向。M23C6与基体之间的位向关系影响试样局部的塑性变形行为，M23C6与基体保持非共格的一侧出现明显应力集中，促使塑性变形的发生，M23C6与基体的非共格一侧出现应变局部现象。位错密度分布表明不可移动位错在M23C6与基体之间非共格一侧堆积，从而导致界面处发生非协调变形，促进DDC裂纹在非共格界面萌生和扩展。. 实验和模拟结果表明，合理提高Nb含量，降低Ti含量，可有效降低镍基焊缝的失塑裂纹敏感性，为优化合金设计提供了理论基础。