核电压力容器封头锻件低温冲击不合格分析

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

封头锻件是核电压力容器的主要锻件，其性能热处理为调质。力学性能验收项目主要包括拉伸、冲击和落锤试验。我公司在承制某项目封头锻件时，封头经调质后低温冲击性能有一单个值低于技术条件要求，为此进行了返修热处理。考虑拉伸强度有富裕量，将回火温度提高至上限，其它参数不变，结果低温冲击性能仍不合格。为研究冲击不合格的原因，将冲击试样进行了断口观察及金相检验。

1 封头简介

1.1 调质形状及取样位置

封头材质为16MnD5，对应我国牌号19MnNiMo，为低碳低合金钢，性能热处理时其形状为内径约2m、壁厚250mm、高约1.5m的球形封头，根据技术条件要求，取样位置在封头开口端距内侧1/4壁厚处，距淬火端部1个壁厚。

1.2 热处理及冲击性能

封头的调质工艺：880～900℃保温6h，冷却方式为水冷，640～665℃回火保温12h。返修工艺将回火温度提高至上限，仍在回火温度范围，时间参数未变。调质后封头室温拉伸强度597～601MPa(要求≥550MPa)，返修后室温拉伸强度583～591 MPa，强度有所降低。经分析，锻件的成品化学分析及晶粒度、夹杂物检测均正常。

表1 -20℃冲击不合格情况Table 1 Failed impact status of head forging at -20℃

调质后和第一次返修后低温冲击不合格情况见表1。

2 断口及金相分析

为分析冲击不合格的原因，选取冲击值分别为137 J、27 J、83 J、25 J(试样编号分别为1#、2#、3#、4#，其中1#、3#为合格样，2#、4#为不合格样)的4个冲击试样做扫描电镜断口分析，并对3#和4#冲击试样做了金相检查。

2.1 断口分析

4个冲击试样的扫描电镜断口形貌如图1所示。可以看出，1#试样发生了明显的塑性变形，断口由明显的韧性区和放射区(解理断口)构成，韧性区为韧窝断口构成，韧窝大小、分布较均匀，这与其高的冲击功相对应；2#试样宏观断口基本未变形，断口较平整，断口大部分为放射区，仅有少量的韧性剪切唇，高倍断口显示放射区存在明显的河流状花样，为典型的穿晶解理断口，这与该试样低的冲击功相对应；3#试样低倍断口同1#试样相近，断口发生了变形，但韧性区占断口百分比较1#试样小，显微照片表明韧性区由大小不一的韧窝构成；4#试样的断口照片与2#试样的断口相近，基本为解理断口，韧性较差。

图1 -20℃冲击试样断口形貌Figure 1 Fracture appearance of impacted specimens at -20℃

图2 3#试样显微组织Figure 2 Microstructure of specimen 3#

图3 4#试样显微组织Figure 3 Microstructure of specimen 4#

2.2 金相分析

图2为3#试样的显微组织照片。可以看出，低倍无偏析，组织为回火贝氏体，主要为羽毛状上贝氏体，同时有少量粒状贝氏体存在，为正常的调质组织。

图3为4#试样的显微组织照片。从图3(a)可见，组织存在明显的偏析，白色区为负偏析区，黑色区为正偏析区，正偏析区宽度约为200～400 μm，这与参考文献[1]中报道的相一致。负偏析区淬透性较差，主要为上贝氏体、部分粗大贝氏体组织和少量粒状贝氏体，不同组织的出现表明组织形成温度不同。正偏析区由于合金元素含量较高，其淬透性较好，组织为回火索氏体和上贝氏体组织。

核电封头采用大型钢锭锻造成型，内部不可避免地会出现化学成分偏析，这种偏析将导致淬火后组织的不均匀性。组织不均匀性是由成分偏析引起的各处淬透性不同造成的，有研究认为合金元素Mn、Mo、Ni的偏析是引起淬火组织差异的主要原因[1]，尤其是Mn和Mo在正偏析区的聚集，提高了正偏析区的淬透性。

尽管返修时回火温度已经提高至上限，但返修热处理对低温韧性改善不大，只有改善成分偏析才可能较好地改善材料低温韧性及提高其它力学性能均匀性。目前，改善核电大型锻件成分偏析的主要方法是在锻造时进行完善的高温扩散退火工艺。

3 结论

利用扫描电镜分析了封头低温冲击性能不合格的原因，并提出了改进建议：

(1)封头存在成分偏析是造成低温韧性不合格的根本原因。

(2)低温韧性合格试样的组织主要为上贝氏体及少量粒状贝氏体，而不合格试样存在组织偏析，负偏析区组织为上贝氏体、部分粗大贝氏体组织和少量粒状贝氏体，正偏析区组织主要为回火索氏体和上贝氏体。

(3)改善成分偏析的主要方法是进行高温扩散退火。