當前世界范圍內(nèi)的能源緊缺問題引起了各國的高度重視，核聚變能源以其原料豐富、無污染的優(yōu)勢被公認為是人類今后發(fā)展的主要能源。目前國際上通過合作以對核聚變能源使用展開了長足的研究并研制了聚變實驗反應堆。用于制造熱核聚變實驗堆第一固態(tài)包層的結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)巨大，內(nèi)部冷卻氣體流道復雜，需要接受常年中子輻照，高溫液態(tài)鋰鉛腐蝕，以及各種應力等作用等，決定了其制造結(jié)構(gòu)材料必須具備優(yōu)良的物理、化學性能。目前低活化馬氏體鐵素體鋼(RAFM鋼)被公認為是最為合適的第一包壁的結(jié)構(gòu)材料。作為中國國產(chǎn)化RAFM鋼(CLAM鋼)，國內(nèi)對CLAM鋼開展了材料制備、輻照性能、高溫液態(tài)鋰鉛相容性和焊接性能等研究。第一壁結(jié)構(gòu)的復雜性決定了焊接是其制造成型的必需技術。
目前，RAFM鋼的焊接方式主要有擴散焊接和熔化焊接兩大類。擴散焊接可用于復雜形狀的大面積焊接，無熱影響區(qū)存在，不需相關的性能恢復工序，但是其接頭沖擊性能不理想。RAFM鋼的熔化焊所選用的焊接方法有鎢級氬弧焊、激光焊、等離子焊和電弧超聲TIG焊等。焊接過程是一個受熱的過程，焊接接頭處尤其是焊接接頭粗晶區(qū)(CGHAZ)晶粒長大嚴重，力學性能差，是焊接接頭的力學性能改善研究的主要區(qū)域。本文結(jié)合焊接熱模擬技術，利用焊接熱模擬試驗機，對焊接接頭綜合性能較差的粗晶區(qū)進行了模擬研究。分析了不同熱循環(huán)條件下，CLAM鋼焊接過熱區(qū)(CGHAZ)熱處理后的組織與性能。
本實驗選CLAM鋼鑄件，去除表面氧化層，在1200℃熱軋加工至15mm厚，進行980℃×30min奧氏體化處理后水淬，后經(jīng)760℃×90min回火處理。其化學成分為（質(zhì)量分數(shù)，%）：8.72Cr，1.55W，0.20V，0.23Ta，0.67Mn，0.14C，余量Fe。實驗利用熱模擬試驗機模擬焊接條件下CGHAZ的焊接熱循環(huán)。模擬參數(shù)為:峰值溫度1320℃，峰值停留時間1s，回火溫度在710~810℃。試樣模擬5mm厚CLAM鋼TIG對接焊，TIG焊開60°V型坡口，焊接電壓10V，焊接速度3cm/min。焊接接頭系數(shù)選擇為1，焊接熱效率選擇為0.7。
CLAM鋼熱模擬試樣經(jīng)回火處理，碳化物彌散析出，在相同的熱循環(huán)條件下，較高的回火溫度會引起晶粒的顯著長大。隨回火溫度的繼續(xù)升高，試樣硬度值隨之降低至200HV左右，硬度趨于穩(wěn)定，熱模擬試樣在較高的溫度下回火，可以更為有效地改善CGHAZ區(qū)域硬度；同樣的回火工藝條件下，CLAM鋼顯微組織差異不明顯，回火前較高的熱量輸入在回火后可以獲得更低的硬度值。綜合考慮回火工藝對CALM鋼硬度值以及晶粒度的影響，推薦回火溫度為760～810℃。