【摘 要】
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R60702纯锆力学性能良好,同时与铀燃料相容性良好,在反应堆内的辐照脆性低,广泛应用于核工业中。N6纯镍也具有良好的力学性能与抗腐蚀性能,常用作结构材料。但锆/镍异种材料间热物理与冶金相容性差,焊接时容易生成连续脆性化合物,在残余应力的作用下降低接头性能,甚至直接导致接头开裂失效。本文通过偏束焊接与加入Nb中间层,抑制了接头脆性与残余应力,提升接头性能。锆/镍直接焊接时,焊缝内部由Ni5Zr初生
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R60702纯锆力学性能良好,同时与铀燃料相容性良好,在反应堆内的辐照脆性低,广泛应用于核工业中。N6纯镍也具有良好的力学性能与抗腐蚀性能,常用作结构材料。但锆/镍异种材料间热物理与冶金相容性差,焊接时容易生成连续脆性化合物,在残余应力的作用下降低接头性能,甚至直接导致接头开裂失效。本文通过偏束焊接与加入Nb中间层,抑制了接头脆性与残余应力,提升接头性能。锆/镍直接焊接时,焊缝内部由Ni5Zr初生枝晶与超细共晶基质相结合形成的超细共晶-枝晶复合结构组成,具有较好的强度与塑性变形能力;锆侧熔合线附近生成了主要由Ni Zr、Ni Zr2组成的连续脆性反应层,导致接头抗拉强度仅有36.4 MPa;基于偏束焊接对工艺进行优化,偏镍焊接的初生相转变为γ-Ni枝晶,接头性能提高到180 MPa,镍侧反应层初生Ni5Zr与共晶竞争生长,较大的过冷度使带有二次枝晶的粗大Ni5Zr生成;偏锆焊接焊缝主要为过共晶成分,焊缝复合结构消失,主要由粗大块状初生Ni5Zr相构成,在应力共同作用下,产生贯穿焊缝的裂纹;加入纯Nb中间层对接头性能进行冶金调控,焊缝为（Zr,Nb）2Ni与Ni5Zr共同组成的网状结构,间隙被Ni5Zr+γ-Ni共晶产物填充;Nb与Zr原子结构相似,易于同晶取代,不易在γ-Ni中固溶,因此在锆侧反应层附近富集,接头抗拉强度与对中焊接相比提升71%,达到62.3 MPa。在试验的基础上,有限元计算表明焊接过程散热速度慢,再热效应明显,残余应力集中于锁底部位,在焊接起始位置具有最高的残余应力与峰值温度;偏锆焊接时残余应力提高,偏镍焊接能显著降低接头残余应力,Mises应力最高值为411MPa,相比于对中焊接下降25.8%;结合理论计算,发现线膨胀系数差异使锆管内壁产生径向压力,导致极高的环向应力;第一性原理计算表明,固溶体中Nb失电子趋势弱,与周围原子的成键作用不明显,能量低结构稳定性高。力学性能计算表明反应层中的Ni Zr、Ni Zr2综合力学性能差,具有较高的硬度,Nb同晶取代Zr原子进入反应层后,显著降低了Ni Zr、Ni Zr2的硬度,硬度测试中反应层硬度下降到510 HV。
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