一種核反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝的制作方法

　　【技術領域】

　　[0001]本發明涉及核動力裝備焊接技術領域，尤其涉及一種核反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝。

　　【背景技術】

　　[0002]鋯合金與不銹鋼過渡接頭是反應堆燃料包殼實驗裝置中鋯合金燃料包殼管和不銹鋼電加熱元件套管連接用結構件。該實驗裝置模擬核反應堆堆內運行狀態，考驗燃料元件在正常運行和事故工況下燃料包殼材料的各種狀態。過渡接頭結構件為管狀結構，長度為100mm，外徑為0 lOmm?0 12mm，內徑為0 6mm，由錯合金和不銹鋼通過焊接而成(請參考附圖1)。鋯合金與不銹鋼焊接性能很差，主要有兩方面原因:(1)脆性金屬間化合物的形成，使得接頭機械強度和耐腐蝕性能降低。(2)兩種材料熱膨脹系數相差很大，連接后會造成很大的熱應力。目前，真空釬焊和中間添加過渡層的爆炸焊和真空擴散焊等可以獲得綜合性能比較好的過渡接頭。文獻《Hard-Soldering Method, Particularly for JoiningNuclear-Reactor Components))采用銀基釬料硬釬焊工藝進行錯合金與不銹鋼釬焊連接。為了減少釬焊區域脆性金屬間化合物形成提高結構件性能，通過在鋯合金母材上預先涂上釬料，然后加熱不銹鋼，再將處于冷態的鋯合金放在不銹鋼上，利用不銹鋼自身的熱傳輸進行鋯合金與不銹鋼釬焊連接，釬焊時間控制在1~2秒。通過控制釬焊時間，減少釬焊區域脆性金屬化合物形成。板形結構單元應施加l~4Kg的壓力，管-管結構單元利用不銹鋼與鋯合金線膨脹系數差異進行約束。文獻《Zirconium Brazing System》采用不添加鈷的不銹鋼-鋯釬料進行堆內鋯合金燃料組件套管與不銹鋼支撐架釬焊，釬焊溫度約為1150°C。文獻《鋯合金與不銹鋼連接技術》指出用銀、銀-銦和鋯-鈹5%釬料進行鋯合金與不銹鋼釬焊，可以獲得具有一定強度的接頭。

　　[0003]從目前公開的文獻來看，鋯合金與不銹鋼釬焊主要問題是釬料與鋯合金母材過合金化造成的溶蝕問題和母材晶粒長大問題。因為鋯合金活性很好，可同大多數熔化的釬料發生過合金化，導致釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇。采用銀、銀-銦和鋯-鈹5%進行鋯合金與不銹鋼釬焊，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，這是因為在釬焊區域形成了脆性相。另外含鈹的釬料，由于劇毒對人體危害巨大，使用時需要有可靠的防護措施。采用不銹鋼-鋯釬料釬焊，由于釬焊溫度達到了 1150°C，會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，導致結構件性能下降。

　　[0004]綜上所述，本申請發明人在實現本申請實施例中發明技術方案的過程中，發現上述技術至少存在如下技術問題:

　　在現有技術中，由于鋯合金活性很好，可同大多數熔化的釬料發生過合金化，導致釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇，采用銀、銀-銦和鋯-鈹5%進行鋯合金與不銹鋼釬焊，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，這是因為在釬焊區域形成了脆性相，另外含鈹的釬料，由于劇毒對人體危害巨大，使用時需要有可靠的防護措施，采用不銹鋼-鋯釬料釬焊，由于釬焊溫度達到了 1150°C，會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，導致結構件性能下降，所以，現有技術中的反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝存在釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，且采用含鈹的釬料對人體危害較大，以及會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，導致結構件性能下降的技術問題。

　　【發明內容】

　　[0005]本發明提供了一種核反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝，解決了現有技術中的反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝存在釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，且采用含鈹的釬料對人體危害較大，以及會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，導致結構件性能下降的技術問題，實現了釬料不會對基體母材進行溶蝕，接頭的抗高溫水腐蝕性能好，韌性較高，且沒有采用含鈹的釬料對人體危害較小，不會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，結構件性能較好的技術效果。

　　[0006]為解決上述技術問題，本申請實施例提供了一種核反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝，所述工藝包括:

　　首先，進行鋯合金單元和不銹鋼單元的結構設計；

　　然后，進行所述鋯合金單元表面改性處理；

　　然后，將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝；

　　然后，將組裝好后的部件進行低溫預處理；

　　最后，將低溫預處理后的部件進行釬焊。

　　[0007]進一步的，所述工藝步驟在釬焊后還包括:

　　將釬焊后的部件進行性能檢測；

　　將性能檢測后的部件進行成品加工。

　　[0008]進一步的，所述釬焊用母材為鋯合金和不銹鋼，其中，鋯合金牌號為Zr-2或Zr-4，不銹鋼牌號為OCr 18Ni 1Ti。

　　[0009]進一步的，所述進行錯合金單元和不銹鋼單元的結構設計具體為:

　　將所述鋯合金單元的下端加工為直徑為第一直徑的圓柱狀；

　　在所述不銹鋼單元上端設置一直徑為第二直徑的圓柱凹槽，其中，所述第二直徑的值大于等于所述第一直徑的值。

　　[0010]進一步的，所述進行所述鋯合金單元表面改性處理具體為:在鋯合金表面離子注Ti，通過真空離子注入Ti工藝，在鋯合金釬焊面形成一層Ti的保護層。

　　[0011]進一步的，所述將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝具體為: 將待焊的鋯合金和不銹鋼結構單元進行去油處理，按照釬料與粘接劑的預設配比進行配料，并預先將釬料刷涂在釬焊結合面上及釬料流入端。

　　[0012]進一步的，所述將低溫預處理后的部件進行釬焊具體為:采用真空釬焊工藝進行鋯合金與不銹鋼釬焊，釬焊方位為垂直漫流，釬焊工藝參數如下:

　　a工作真空度..( 5X10' b釬焊溫度:960°C?980°C ； c保溫時間:5 min?15min ； d降溫方式:真空狀態下隨爐冷卻。

　　[0013]本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點:

　　由于采用了首先進行鋯合金單元和不銹鋼單元的結構設計，然后進行所述鋯合金單元表面改性處理，然后將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝，然后將組裝好后的部件進行低溫預處理，最后將低溫預處理后的部件進行釬焊的工藝進行鋯合金與不銹鋼釬焊連接，即，根據燃料包殼實驗裝置用鋯合金與不銹鋼過渡接頭的使用要求，采用鎳基釬料進行了鋯合金和不銹鋼釬焊，通過鋯合金表面離子注入工藝，在鋯合金表面形成Ti保護層，阻斷釬料與鋯合金高溫反應。焊件檢驗結果表明，鎳基釬料對母材的潤濕性較好，與鋯合金和不銹鋼均形成了一定厚度的擴散層，Ti層與母材結合良好，沒有高溫溶蝕跡象，所以，有效解決了現有技術中的反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝存在釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，且采用含鈹的釬料對人體危害較大，以及會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，導致結構件性能下降的技術問題，進而實現了釬料不會對基體母材進行溶蝕，接頭的抗高溫水腐蝕性能好，韌性較高，且沒有采用含鈹的釬料對人體危害較小，不會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，結構件性能較好的技術效果。

　　【附圖說明】

　　[0014]圖1是本申請中鋯合金與不銹鋼過渡接頭的結構示意圖；

　　圖2是本申請實施例一中鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝流程示意圖；

　　圖3是本申請實施例一中錯合金單元與不銹鋼單元配合結構示意圖；

　　圖4是本申請實施例一中鋯合金單元結構示意圖；

　　圖5是本申請實施例一中不銹鋼單元結構示意圖；

　　其中，1-錯合金單元，2-焊縫，3-不銹鋼單元。

　　【具體實施方式】

　　[0015]本發明提供了一種核反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝，解決了現有技術中的反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝存在釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，且采用含鈹的釬料對人體危害較大，以及會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，導致結構件性能下降的技術問題，實現了釬料不會對基體母材進行溶蝕，接頭的抗高溫水腐蝕性能好，韌性較高，且沒有采用含鈹的釬料對人體危害較小，不會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，結構件性能較好的技術效果。

　　[0016]本申請實施中的技術方案為解決上述技術問題。總體思路如下:

　　采用了首先進行鋯合金單元和不銹鋼單元的結構設計，然后進行所述鋯合金單元表面改性處理，然后將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝，然后將組裝好后的部件進行低溫預處理，最后將低溫預處理后的部件進行釬焊的工藝進行鋯合金與不銹鋼釬焊連接，即，根據燃料包殼實驗裝置用鋯合金與不銹鋼過渡接頭的使用要求，采用鎳基釬料進行了鋯合金和不銹鋼釬焊，通過鋯合金表面離子注入工藝，在鋯合金表面形成Ti保護層，阻斷釬料與鋯合金高溫反應。焊件檢驗結果表明，鎳基釬料對母材的潤濕性較好，與鋯合金和不銹鋼均形成了一定厚度的擴散層，Ti層與母材結合良好，沒有高溫溶蝕跡象，所以，有效解決了現有技術中的反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝存在釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，且采用含鈹的釬料對人體危害較大，以及會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，導致結構件性能下降的技術問題，進而實現了釬料不會對基體母材進行溶蝕，接頭的抗高溫水腐蝕性能好，韌性較高，且沒有采用含鈹的釬料對人體危害較小，不會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，結構件性能較好的技術效果。

　　[0017]為了更好的理解上述技術方案，下面將結合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術方案進行詳細的說明。

　　[0018]實施例一:

　　在實施例一中，提供了一種核反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝，請參考圖1-圖5，所述工藝包括:

　　S10，進行鋯合金單元和不銹鋼單元的結構設計；

　　S20，進行所述錯合金單元表面改性處理；

　　S30，將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝；

　　S40，將組裝好后的部件進行低溫預處理；

　　S50，將低溫預處理后的部件進行釬焊。

　　[0019]其中，在本申請實施例中，所述工藝步驟在釬焊后還包括:

　　將釬焊后的部件進行性能檢測；

　　將性能檢測后的部件進行成品加工。

　　[0020]其中，在本申請實施例中，所述釬焊用母材為鋯合金和不銹鋼，其中，鋯合金牌號為Zr-2或Zr-4，不銹鋼牌號為OCr 18Ni 1Ti。

　　[0021]其中，在實際應用中，根據核燃料包殼試驗裝置用鋯合金與不銹鋼過渡接頭的使用環境要求，鋯合金與不銹鋼釬焊用的釬料選用應滿足以下幾點要求:(a)與母材有良好的潤濕性；(b)釬料中不含鈹等劇毒元素；(C)有良好的高溫性能和耐腐蝕性能。依據以上原則，確定釬焊用釬料為BNi76CrP，釬料的形狀為粉狀釬料，釬焊溫度為960°C?980°C。釬焊用母材為鋯合金和不銹鋼，其中，鋯合金牌號為Zr-2或Zr_4，不銹鋼牌號為0Crl8Nil0T1

　　[0022]其中，在本申請實施例中，所述進行錯合金單元和不銹鋼單元的結構設計具體為:

　　將所述鋯合金單元的下端加工為直徑為第一直徑的圓柱狀；

　　在所述不銹鋼單元上端設置一直徑為第二直徑的圓柱凹槽，其中，所述第二直徑的值大于等于所述第一直徑的值。

　　[0023]其中，在實際應用中，由于燃料包殼試驗環境的要求，對鋯合金與不銹鋼過渡接頭有一定的強度要求。通常釬焊結構件的強度都比較低，采用插套結構提高結構件的連接強度。附圖3為鋯合金單元與不銹鋼單元配合結構示意圖，附圖4為鋯合金單元結構示意圖，附圖5為不銹鋼單元結構示意圖。由于鋯合金的線膨脹系數為5.9，不銹鋼的線膨脹系數為18，鋯合金的線膨脹系數小于不銹鋼，因此在結構單元中，不銹鋼結構單元嵌套在鋯合金結構單元外面，在結構件冷卻過程中，不銹鋼在徑向產生一個收縮力，加強結構件的連接強度。另外，結構單元中鋯合金與不銹鋼結合面連接長度不小于結構件直徑，結合面間隙控制在 0.05 ?0.1mm。

　　[0024]其中，在本申請實施例中，所述進行所述鋯合金單元表面改性處理具體為:在鋯合金表面離子注Ti，通過真空離子注入Ti工藝，在鋯合金釬焊面形成一層Ti的保護層。

　　[0025]其中，在實際應用中，鋯的化學性質非常活潑，BNi76CrP釬料對鋯合金雖然有潤濕，但在釬焊溫度下，會產生溶蝕，特別是隨著時間加長，釬料與鋯合金的溶蝕反應加劇，直接導致釬焊失敗。通過真空離子注入Ti工藝，在鋯合金釬焊面形成一層Ti的保護層，阻斷釬料與鋯合金直接作用。該保護層與鋯合金有良好的結合，與釬料有良好的潤濕性，并在高溫與釬料不會產生溶蝕。鍍層厚度控制在0.05?0.1_。

　　[0026]其中，在本申請實施例中，所述將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝具體為:

　　將待焊的鋯合金和不銹鋼結構單元進行去油處理，按照釬料與粘接劑的預設配比進行配料，并預先將釬料刷涂在釬焊結合面上及釬料流入端。

　　[0027]其中，在實際應用中，待焊的鋯合金和不銹鋼結構單元進行去油處理，保證釬焊面與釬料有良好的結合。設計專用工裝保證組裝時鋯合金與不銹鋼結構單元釬焊接觸面的組裝間隙，保證釬料能形成良好的釬接。由于釬焊用釬料為粉狀釬料，按照釬料與粘接劑的配比(8:1?6:1)進行配料，并預先將釬料刷涂在釬焊結合面上及釬料流入端。裝配好的釬焊結構單元首先進行低溫處理，去掉混合物中低溫易揮發性物。

　　[0028]其中，在本申請實施例中，所述將低溫預處理后的部件進行釬焊具體為:采用真空釬焊工藝進行鋯合金與不銹鋼釬焊，釬焊方位為垂直漫流，釬焊工藝參數如下:

　　a工作真空度..( 5X10' b釬焊溫度:960°C?980°C ； c保溫時間:5 min?15min ； d降溫方式:真空狀態下隨爐冷卻。

　　[0029]其中，在實際應用中，釬焊用設備為真空釬焊爐，加熱區域滿足釬焊件要求，工作真空度不低于5X10-2Pa，最高加熱溫度大于1200°C。設備帶有真空控制系統、加熱控制系統和水冷卻循環系統。

　　[0030]下面舉個具體的例子對本申請實施例中的技術方案進行介紹:

　　(1)原材料錯合金:Zr-4 不銹鋼:0Crl8Nil0Ti 釬料:BNi76CrP

　　(2)設備

　　釬焊設備為真空釬焊爐，型號為ZQSJ-1300，最高加熱溫度為1300°C，工作真空度為5X10_2Pao

　　[0031](3)零部件加工

　　按照零部件結構單元設計圖加工鋯合金和不銹鋼零部件，并按照設計圖紙進行關鍵尺寸復驗(配合間隙)。

　　[0032](4)鋯合金表面離子注Ti (5)零部件清洗

　　將鋯合金和不銹鋼零件進行去油處理，去油溫度為60°C ;然后用流動的熱水和冷水進行漂洗和沖洗，漂洗溫度為60°C;最后將清洗干凈的零件放烘箱中烘干，烘干溫度為150°C。

　　[0033](6)組裝

　　將清洗好的零部件進行裝配并調整好裝配間隙，按照釬料與粘接劑的配比8:1進行配料并混合均勻，將釬料注入到裝配間隙中和放置釬料的部位，然后進行低溫烘干處理，烘干溫度為150 °C，烘干時間為2h。

　　[0034](7)釬焊

　　將裝配好的組裝件放在爐子的加熱溫區內，并調整好位置便于高溫觀察。按970°C釬焊溫度設定加熱程序，到爐內真空度達到5X10-2Pa以上時，啟動加熱程序進行加熱，釬焊結束后，設備自動停止加熱，隨爐冷卻，當爐溫低于40°C，出爐，并對焊件進行外管檢查。

　　[0035](8)性能檢測

　　釬焊完成后對焊件進行了射線照相檢驗、水壓試驗、破壞性檢驗和常溫拉伸試驗，射線照相檢驗釬焊焊縫，沒有發現缺陷，釬焊率達到100%。水壓試驗時，打壓壓力為lOMPa，沒有發現焊件泄漏、冒汗等現象。取三個釬焊試件進行室溫拉伸試驗，拉脫力為208MPa、198MPa和 198MPa。

　　[0036]取釬焊件，沿軸向解剖，在高倍放大鏡下觀察焊縫結構。釬料與鋯合金和不銹鋼結合良好并有一定的擴散層，鍍層與鋯合金結合良好，沒有高溫溶蝕跡象。

　　[0037]上述本申請實施例中的技術方案，至少具有如下的技術效果或優點:

　　由于采用了首先進行鋯合金單元和不銹鋼單元的結構設計，然后進行所述鋯合金單元表面改性處理，然后將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝，然后將組裝好后的部件進行低溫預處理，最后將低溫預處理后的部件進行釬焊的工藝進行鋯合金與不銹鋼釬焊連接，即，根據燃料包殼實驗裝置用鋯合金與不銹鋼過渡接頭的使用要求，采用鎳基釬料進行了鋯合金和不銹鋼釬焊，通過鋯合金表面離子注入工藝，在鋯合金表面形成Ti保護層，阻斷釬料與鋯合金高溫反應。焊件檢驗結果表明，鎳基釬料對母材的潤濕性較好，與鋯合金和不銹鋼均形成了一定厚度的擴散層，Ti層與母材結合良好，沒有高溫溶蝕跡象，所以，有效解決了現有技術中的反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝存在釬料對基體母材的溶蝕，并且隨著釬焊時間加長，溶蝕加劇，接頭的抗高溫水腐蝕性能差，韌性普遍比較低，且采用含鈹的釬料對人體危害較大，以及會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，導致結構件性能下降的技術問題，進而實現了釬料不會對基體母材進行溶蝕，接頭的抗高溫水腐蝕性能好，韌性較高，且沒有采用含鈹的釬料對人體危害較小，不會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，結構件性能較好的技術效果。

　　[0038]盡管已描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本發明范圍的所有變更和修改。

　　[0039]顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。

　　【主權項】

　　1.一種核反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝，其特征在于，所述工藝包括: 進行鋯合金單元和不銹鋼單元的結構設計； 進行所述錯合金單元表面改性處理； 將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝； 將組裝好后的部件進行低溫預處理； 將低溫預處理后的部件進行釬焊。

　　2.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于，所述工藝步驟在釬焊后還包括: 將釬焊后的部件進行性能檢測； 將性能檢測后的部件進行成品加工。

　　3.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于，所述釬焊用母材為鋯合金和不銹鋼，其中，鋯合金牌號為Zr-2或Zr-4，不銹鋼牌號為OCr 18Ni 1Ti。

　　4.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于，所述進行錯合金單元和不銹鋼單元的結構設計具體為: 將所述鋯合金單元的下端加工為直徑為第一直徑的圓柱狀； 在所述不銹鋼單元上端設置一直徑為第二直徑的圓柱凹槽，其中，所述第二直徑的值大于等于所述第一直徑的值。

　　5.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于，所述進行所述鋯合金單元表面改性處理具體為:在鋯合金表面離子注Ti，通過真空離子注入Ti工藝，在鋯合金釬焊面形成一層Ti的保護層。

　　6.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于，所述將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝具體為: 將待焊的鋯合金和不銹鋼結構單元進行去油處理，按照釬料與粘接劑的預設配比進行配料，并預先將釬料刷涂在釬焊結合面上及釬料流入端。

　　7.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于，所述將低溫預處理后的部件進行釬焊具體為:采用真空釬焊工藝進行鋯合金與不銹鋼釬焊，釬焊方位為垂直漫流，釬焊工藝參數如下: a工作真空度5X10' b釬焊溫度:960°C?980°C ； c保溫時間:5 min?15min ； d降溫方式:真空狀態下隨爐冷卻。

　　【專利摘要】本發明公開了一種核反應堆用鋯合金與不銹鋼釬焊連接工藝，所述工藝包括：首先進行鋯合金單元和不銹鋼單元的結構設計，然后進行所述鋯合金單元表面改性處理，然后將所述鋯合金單元和所述不銹鋼單元進行清洗組裝，然后將組裝好后的部件進行低溫預處理，最后將低溫預處理后的部件進行釬焊，實現了釬料不會對基體母材進行溶蝕，接頭的抗高溫水腐蝕性能好，韌性較高，且沒有采用含鈹的釬料對人體危害較小，不會出現鋯合金母材相變晶粒長大現象，結構件性能較好的技術效果。

　　【IPC分類】B23K1-20

　　【公開號】CN104588811

　　【申請號】CN201410716228

　　【發明人】楊軍, 王飛, 朱金霞, 薛敬凱, 羅緒珍, 王建, 馬勇哲, 劉曉榮

　　【申請人】中國核動力研究設計院

　　【公開日】2015年5月6日

　　【申請日】2014年12月2日