一种包壳管焊接用含铌端塞材料及其制造方法技术

本发明专利技术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。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％，Al≤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。利用本发明专利技术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。

A Nb-containing end plug material for cladding pipe welding and its manufacturing method

The invention belongs to the technical field of metallurgical materials, and relates to a niobium-containing end plug material for cladding pipe welding and its manufacturing method. The niobium-containing end plug material according to the weight percentage composition is: C:0.030 0.090%, Si <0.08%, Si <0.08%, P <0.010%, S <0.0015%, Mn: 0.40 8209 1.00%, Ni:14.00 82016.50%, Mn: 15.5 8209 18.0%, Ni:14.00 82016.50%, Cr: 15.5 8209 18.0%, Mo:2.40 8209 3.20%, Nb:0.30 8209 0.90 0.90%, B:0.002 8209 0.005%, Si <0.08%, P <0.080.08%, P <0.010.05%, P <0.05%, S 0.05%, Co < 0.02%, O < 0.0015%, N < 0.005 0%, 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%, the rest are Fe. The niobium-containing end plug material for cladding pipe welding and its manufacturing method can make the niobium-containing end plug material manufactured in accordance with the hot crack problem easily occurring in austenitic stainless steel welding, and make the austenitic stainless steel cladding pipe have good welding performance.

【技术实现步骤摘要】
一种包壳管焊接用含铌端塞材料及其制造方法
本专利技术属于冶金材料
，涉及一种包壳管焊接用含铌端塞材料及其制造方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术的有益效果在于，利用本专利技术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，本专利技术设计开发了一种与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，本专利技术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，本专利技术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的本专利技术的含铌端塞材料与包壳管的上焊缝(上端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包壳管焊接用含铌端塞材料，其特征在于，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％，Al≤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。

【技术特征摘要】
1.一种包壳管焊接用含铌端塞材料，其特征在于，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％，Al≤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。2.根据权利要求1所述的含铌端塞材料的制造方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李峻宏，杜爱兵，冯伟，任媛媛，苏喜平，王明政，黄晨，杨孔雳，杨红义，张东辉，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11