Hàn kim loại trong nhà máy điện hạt nhân

NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

HÀN KIM LOẠI TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
3.1. Mối hàn kim loại khác nhau trong SSC của NPP
3.1.1. Khái niệm
Hầu hết các liên kết trong NPP đều thực hiện bằng hàn, có thể là hàn cùng
kim loại cơ bản hoặc kim loại cơ bản khác nhau.
Kim loại khác nhau (chủng loại) được xem như là các nguyên tố khác nhau
về thành phần hóa học (như Cu, Al, Ni…) hoặc hợp kim có cấu trúc tế vi khác
nhau (như thép carbon và thép không gỉ…). Tổ hợp kim loại khác nhau gồm một
hoặc nhiều kim loại cơ bản với một hoặc nhiều kim loại bổ sung để tạo nên kim
loại mối hàn cuối cùng sau khi nóng chảy và kết tinh được gọi là mối hàn kim loại
khác nhau (DMW). Thiết kế các liên kết ống với đầu an tồn của US BWR được
trình bày trong hình 3.1, đó là ví dụ điển hình của mối hàn kim loại khác nhau.
Tổ hợp các kim loại khác nhau trong vật hàn cho phép sử dụng những tính
chất tốt nhất của từng kim loại. Hàn đắp hoặc hàn các kim loại khác nhau đặc biệt
quan trọng khi vật hàn được dùng cho các ứng dụng chống ăn mịn hoặc phơi
nhiễm với chu trình nhiệt khi vận hành sử dụng.
Khi các kim loại khác nhau được liên kết bằng hàn nóng chảy, xảy ra hiện
tượng hịa trộn các thành phần tạo nên mối hàn và do đó, sự hợp kim hóa giữa kim
loại cơ bản và kim loại bổ sung là mối quan tâm chủ yếu. Tính chất của kim loại
mối hàn sẽ khác xa so với kim loại cơ bản. Sự kết hợp của các kim loại có các tính
chất vật lí hóa học và cơ học khác xa nhau có thể tạo nên các vấn đề ngay khi hàn,
xử lí hoặc q trình làm việc sau này.
DMW có thể là hàn hai hoặc nhiều kim loại cơ bản khác nhau với kim loại
bổ sung khác nhau. Thành phần kim loại mối hàn sau khi kết tinh sẽ khác với từng
thành phần kim loại cơ bản và nó thay đổi theo thiết kế, q trình hàn, kim loại bổ
1


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

sung, quy trình. Tóm lại, những yếu tố và hiệu ứng này do tiếp xúc nhiệt của vật
hàn khi chế tạo hoặc sử dụng sau này phải được nhận định và đánh giá trước khi
hàn.

Hình 3.1. Tiết diện của hệ thống đầu vào họng ống tuần hoàn/ hồi lưu
với đầu an toàn trong USBWR. Cấu tạo cũ và mới khác nhau ở vật liệu
và kết cấu ống lót nhiệt.
Mối hàn kim loại khác nhau điển hình được làm theo hai bước. Đầu tiên,
hai (hoặc ba) lớp mỏng vật liệu đệm được hàn vào đầu họng vỏ lò bằng thép ferrite
để tạo thành lớp đệm. Chiều dày điển hình của lớp đệm từ 5 đến 8 mm. Vật liệu
lớp đầu tiên này là hợp kim với Cr và Ni, để bù cho hòa tan do kim loại cơ bản.
Sau đó người ta xử lí nhiệt lớp đệm ở nhiệt độ phù hợp với mỗi loại thép hợp kim
thấp, cịn thời gian thì phụ thuộc vào chiều dày tiết diện của chi tiết thép ferrite. Ví
dụ, nhiệt độ PWHT cho họng ống bằng thép SA 508 Cl. 3 khoảng 580°C. Tiếp
theo đầu an toàn được hàn với họng ống mà dùng cùng vật liệu bổ sung như nhau
cho lớp đệm thứ hai, mối hàn này không cần xử lí nhiệt. Trong trường hợp mà hàn
đầu an tồn làm từ thép SS, thì PWHT rất quan trọng để tránh sự nhạy cảm nứt tại
đầu an toàn.

2


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

3.1.2. Hàn DMW trong các nhà máy trên thế giới
3.1.2.1. Hoa Kỳ:
Các nhà máy tại Hoa Kỳ xây dựng trước năm 1968 nhận PWHT kèm theo
khung thép SS austenite của thành phần bên trong và họng ống gắn với đầu an toàn
thép SS austenite. Điều này dẫn đến vật liệu nhạy cảm với lò, nhạy cảm SCC. Sau

năm 1970, yêu cầu chế tạo đã thay đổi và PWHT được thực hiện hoàn toàn trước
khi gắn các phần tử thép SS austenite vào đó. Kể từ khi nhận được hợp kim 600 và
182 (trạng thái ủ), kim loại mối hàn nói chung là tương đương hoặc thậm chí kém
hơn vật liệu nhạy cảm lị, các phần tử hợp kim 600 không bị hạn chế nếu nhận
PWHT. Trong đa số nhà máy BWR, việc PWHT vỏ thùng được thực hiện đầy đủ
trước khi hàn gắn vào chi tiết chính, ngoại trừ lớp hàn bằng hợp kim 182 (hợp kim
600).
Các nhà máy Westinghouse có các thiết kế đầu an tồn và lớp đệm khác
nhau. Thiết kế thơng dụng nhất là đầu an toàn bằng thép SS Type 316 rèn hàn với
họng ống bằng vật liệu lớp đệm hợp kim NiCrFe (82/182) và mối hàn cùng vật liệu
thấu hoàn toàn. Trong thiết kế khác, lớp đệm thép SS austenite được hàn đắp lên
họng ống nhưng không dùng đầu an tồn. Thiết kế ít gặp là lớp đệm hợp kim NiCr-Fe trên đầu họng được hàn với đầu an toàn bằng thép SS rèn với mối hàn thép
SS thấu hoàn toàn.
Đầu an toàn thép SS được sử dụng giữa họng ống bơm làm nguội sơ cấp
thép SS dạng đúc và ống chân nguội thép C trong nhà máy Babcock & Wilcox và
Combustion Engineering. Đầu an toàn được hàn đầu tiên với thân bơm thép SS và
lớp đệm hợp kim 600 được đắp vào các đầu ống chân nguội. Sau đó ngồi cơng
trường, mối hàn hợp kim 600 được thực hiện giữa đầu an toàn và đầu lớp đệm của
từng ống thép ferrite (hình 1.2). Tất cả các mối hàn ngồi cơng trường đều được xử
lí nhiệt PWHT.

3


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

Trong các nhà máy Combustion Engineering, hợp kim 82/182 được dùng
làm cả lớp đệm và kim loại bổ sung cho các mối hàn kim loại khác nhau tại họng
ống bơm làm nguội lò phản ứng và các ống nhánh nối. Đầu an toàn thép SS được
thực hiện giữa họng ống nhánh làm nguội chính với đường ống nhánh thép SS.

Trong một nhà máy Combustion Engineering với các valve ngăn cách trên vịng
làm nguội chính, đầu an toàn được sử dụng giữa valve và ống.
3.1.2.2. Pháp:
Trong các nhà máy của Pháp, đầu an tồn ln được làm trong xưởng. Lớp
đệm được hàn và đắp hoặc bằng thép SS AISI 308 loại AISI 309, trừ ba nhà máy
cuối cùng, mà ở đó mối hàn kim loại khác nhau tại RPV sử dụng hợp kim 82.
Trong thiết kế mới nhất ở các nhà máy EPR, kết cấu và quá trình chế tạo các mối
hàn khác nhau giữa RPV, bình sinh hơi và bộ tạo áp được thực hiện hồn tồn khác
với trước đó.
3.1.2.3. Đức:
Sơ đồ bố trí điển hình của BWR theo thiết kế Siemens được trình bày trong
hình 3.2. Ống được làm bằng thép C đắp thép SS. Như vậy, mối hàn giữa RPV và
ống làm nguội chính khơng phải là mối hàn kim loại khác nhau, như được thấy ở
góc trên bên phải của hình 3.2.
Mối hàn kim loại khác nhau nằm giữa ống và họng ống thép không gỉ.
Những mối hàn này sử dụng lớp đệm hợp kim 182 (hoặc hợp kim 82) và các lớp
hàn bằng hợp kim 182 (hoặc hợp kim 82). Mối hàn kim loại khác nhau điển hình
được thực hiện mới đây ở Đức có lớp đệm ở bề mặt trong và lượt đáy của liên kết
hàn (gồm ít nhất một lớp phủ) dùng kim loại bổ sung là thép SS. Thiết kế này làm
cho bề mặt bên trong hoàn toàn không chứa hợp kim nền Ni, điều này làm cho
kiểm tra chân mối hàn bằng siêu âm dễ hơn.

4


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

Hình 3.2. Sơ đồ thiết kế Siemens BWR cho thấy thiết kế mối hàn giữa RPV với ống
thép carbon và giữa đường ống chính với họng bằng thép SS [2].
3.1.2.4. Nga:

Trong các nhà máy ВВЭР-440/1000, các mối hàn kim loại khác nhau giữa
vành RPV rèn (thép 12X2MΦA / 15X2HMΦA) với đường ống làm nguội (thép SS
08X18H10T) được hàn với lớp đệm, ở đó lớp đầu tiên trên thép RPV được hàn
bằng điện cực 25Cr/12.5Ni hoặc 16Cr/25Ni/6Mo và lớp tiếp theo được hàn bằng
điện cực 19Cr/10Ni/1Mo/1Nb hoặc 18Cr/11Ni/3Mo/V. Lớp cuối cùng được hàn
bằng điện cực 18Cr/11Ni/3Mo/V. Trong các nhà máy ВВЭР (Nga, Tiệp khắc,
Hungary) người ta không sử dụng hợp kim nền Ni.
3.1.3. Các biến số hàn
Hàn kim loại khác nhau cũng có yêu cầu về biến số hàn như hàn thông
thường, nhưng những hiệu ứng tương tác của kim loại khác nhau cần được xem xét
qua từng ứng dụng cụ thể [5].
Trong DMW, người ta quan tâm chủ yếu đến thành phần và tính chất của
kim loại mối hàn. Thành phần kim loại mối hàn phụ thuộc nhiều vào kim loại cơ
bản, kim loại bổ sung và tỉ lệ hịa lỗng tương đối của chúng. Hịa lỗng (dilution)
5


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

được xác định như là thay đổi thành phần kim loại bổ sung được gây ra do sự trộn
lẫn của kim loại cơ bản hoặc kim loại trong đường hàn trước đó.
Thành phần của kim loại mối hàn thường không đồng nhất, đặc biệt trong
mối hàn nhiều lượt.
Khi thiết kế rãnh mối hàn đối với liên kết kim loại khác nhau, cần quan tâm
đến đặc trưng nóng chảy của từng kim loại cơ bản và kim loại bổ sung cũng như
hiệu ứng hịa lỗng. Góc vát rộng làm giảm độ hịa lỗng, cho phép kiểm soát độ
nhớt kim loại mối hàn tốt hơn, và cho khơng gian thao tác hồ quang tốt hơn.
Trong hàn nóng chảy, từng kim loại cơ bản khác nhau và kim loại bổ sung
(nếu có) cùng nóng chảy và kết hợp lại trong vũng hàn. Kim loại mối hàn sẽ hoặc
là phase đơn hoặc hỗn hợp hai hay nhiều phase cùng kết tinh.

Kim loại bổ sung trong DMW phải dễ dàng hợp kim hóa với kim loại cơ
bản để tạo ra kim loại mối hàn có nền dẻo liên tục. Đặc biệt, kim loại bổ sung phải
chấp nhận hịa lỗng bởi kim loại cơ bản không tạo nên cấu trúc tế vi nhạy cảm với
nứt (bảng 3.1).
Bảng 3.1: Thành phần kim loại cơ bản và kim loại bổ sung
của mẫu hàn (%) [5]
Nguyên tố
Cr
Ni
Mo
Fe

Thép Cr-Mo
2.5
--1.0
95.5

Thép SS 316
17.0
12.0
2.5
63.0

ERNiCr-3
20
72
--3

Bảng 3.2 cho thấy mối quan hệ tính chất vật lí của một số kim loại và thép
carbon. Nếu chỉ căn cứ vào nhiệt độ nóng chảy khác nhau, thì có thể kết luận rằng

khó mà hàn được nhơm với thép, vì nhiệt độ nóng chảy của nhôm thấp hơn các
kim loại khác.

6


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

Bảng 3.2: Quan hệ giữa tính chất vật lí của các kim loại cơ bản
với thép carbon [5]
Tính chất tương đối

Tỉ số các tính chất(a)
Thép Cu
Al
SS

Hệ số dãn nở nhiệt

C
1.0

1.4

1.9

Austenite
1.3

trung bình

Độ dẫn nhiệt
Nhiệt dung
Mật độ/ Khối lượng

1.0
1.0
1.0

7.8
08
1.1

3.1
1.9
0.3

0.3
1.0
1.0

70Ni-

76Ni-

30Cu
1.2

16Cr-8Fe
1.1

0.5
1.1
1.1

0.3
0.9
1.1

riêng
Nhiệt độ nóng chảy
1.0
0.7
0.4
0.9
0.9
0.9
a)
Các giá trị này thể hiện tỉ số tương đối đối với thép carbon, không phải tính
chất thực tế
b)

Từ nhiệt độ thường đến 260 oC
Sự chênh lệch đáng kể về khoảng nhiệt độ nóng chảy của hai kim loại cơ

bản hoặc kim loại mối hàn và từng kim loại cơ bản có thể gây ra nứt tinh chế trong
kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn. Kết tinh và co ngót của kim loại có nhiệt
độ nóng chảy cao hơn sẽ gây ra ứng suất trong kim loại kia khi bị yếu đi trong điều
kiện kết tinh từng phần. Đôi khi người ta giải quyết vấn đề này bằng cách đắp một
hoặc nhiều lớp kim loại bổ sung có dải nhiệt độ nóng chảy trung gian lên bề mặt
vật liệu có dải nhiệt độ nóng chảy thấp hơn theo phương pháp được biết đến là lớp

đệm (butter). Lớp đệm làm giảm hiệu ứng chênh lệch nhiệt độ nóng chảy.
Phần lớn kim loại và hợp kim có tính dẫn nhiệt khá tốt, như bảng 3.2. Khi
hàn hai kim loại có độ dẫn nhiệt khác nhau đáng kể, nhiệt truyền nhanh chóng từ
vũng hàn sang kim loại cơ bản kế bên có thể ảnh hưởng đến năng lượng đường cần
để làm nóng chảy cục bộ kim loại cơ bản.

7


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

Sự khác nhau về hệ số dãn nở nhiệt (CTE) của các kim loại trong DMW
sinh ra ứng suất trong liên kết khi nhiệt độ thay đổi. Yếu tố này rất quan trọng đối
với các liên kết hàn làm việc ở nhiệt độ cao trong mơi trường nhiệt độ thay đổi
theo chu kì. Ví dụ về thực tế này trong nhà máy nhiệt điện hoặc NPP, ở đó thép SS
austenite được liên kết với thép hợp kim thấp Cr-Mo.
Việc chọn gia nhiệt trước và xử lí nhiệt sau hàn một cách hợp lí đối với liên
kết hàn trong tổ hợp kim loại khác nhau có thể gặp phải vấn đề. Khi hàn hợp kim
cần gia nhiệt với hợp kim khác khơng cần gia nhiệt, thì cần phải gia nhiệt trực tiếp
vào phía liên kết yêu cầu.
Yêu cầu PWHT đối với DMW cũng là thách thức với nhà thiết kế. Xử lý
nhiệt thích hợp đối với mộ phần tử/ chi tiết của kết cấu hàn có thể làm hại chi tiết
khác đối với môi trường làm việc sau này. Ví dụ nếu hợp kim Ni-Cr biến cứng hóa
già được hàn với thép SS austenite khơng ổn định, thì sự tiếp xúc của vật hàn để xử
lí hóa già cho hợp kim Ni-Cr, làm thép SS bị nhạy cảm (gây ra tiết phase carbide),
giảm khả năng chống ăn mịn giữa các hạt.
Từ trường có thể tương tác với hồ quang dòng điện một chiều (DC) tạo nên
trường lực và làm biến dạng quá giới hạn của hồ quang gây thổi lệch hồ quang.
Khi chỉ một phần tử được hàn sắt từ tính, hồ quang DC có thể lệch về phía liên kết.
Lúc đó lượng lớn kim loại sắt từ bị nóng chảy, gây ra hịa lỗng q mức. Cũng có

thể khơng ngấu tại đáy mối hàn. Những kết quả như vậy có thể xảy ra khi hàn thép
C với hợp kim Ni hoặc thép SS austenite.
Sự thâm nhập kim loại mối hàn vào biên giới hạt trong HAZ của kim loại
cơ bản xảy ra trong các hệ hợp kim nhất định. Điều này có khả năng gây nên hiện
tượng nứt giữa các hạt trong HAZ. Thông thường xu hướng tiến tới hành vi này
được chi phối bởi định luật thấm kim loại lỏng. Ví dụ, kim loại mối hàn giàu đồng
nóng chảy có thể thâm nhập biên giới hạt trong thép carbon hoặc thép SS austenite

8


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

khi hàn. Mức độ thâm nhập có thể tăng lên khi gia nhiệt kim loại cơ bản, hoặc có
ứng suất kéo, hoặc cả hai.
3.2. Quá trình hàn vật liệu Inconel
3.2.1. Vật liệu Inconel
Hợp kim Inconel nền Ni được sử dụng rộng rãi trong NPP đặc biệt là ở
NPP Ninh Thuận 2, chúng sẽ được sử dụng nhiều (bảng 2.1 và hình 2.1). Inconel
có hàm lượng Cr và Ni cao (Cr > 15% và Ni > 50%). Đây là hợp kim nền sắt và
nickel cao có cơ tính và khả năng chống ăn mịn tốt.
Các liên kết chất lượng cao dễ dàng được chế tạo bằng các hợp kim nền
nickel bằng các q trình hàn thơng thường, như hàn hồ quang tay (SMAW),
GTAW, GMAW và hàn hồ quang chìm (SAW). Lựa chọn quá trình hàn dựa trên:
i)

Chiều dày kim loại mối hàn

ii)

Thiết kế sản phẩm

iii)

Thiết kế liên kết

iv)

Tư thế hàn

v)

Đồ gá

vi)

Điều kiện làm việc và môi trường ăn mịn mà trong đó mối hàn sẽ
tiếp xúc

vii)

Điều kiện cơ sở xưởng hoặc cơng trường.
Quy trình hàn hợp kim nền nickel tương tự như các quy trình được sử dụng

cho thép không gỉ. Đặc trưng dãn nở nhiệt của các hợp kim tương tự như đặc trưng
của thép C, về cơ bản cong vênh và biến dạng như nhau có thể xảy ra khi hàn. Tất
cả đường hàn cần có phần nhơ biên dạng hơi lồi, cần tránh biên dạng phẳng và
lõm. Trước khi hàn không yêu cầu gia nhiệt. Nếu kim loại cơ bản bị lạnh (2 °C
hoặc thấp hơn) trong phạm vi 300 mm từ vị trí hàn thì cần làm ấm đến 16 - 21°C
để chống ngưng tụ. Có thể cần PWHT để tạo ra biến cứng tiết phase. Giảm ứng

suất sau hàn cần đáp ứng các yêu cầu đặc trưng hoặc tránh SCC.
9


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

Hợp kim nền nickel có phạm vi sử dụng rộng rãi hơn các loại hợp kim
khác. Các hợp kim này được sử dụng làm vật liệu chống ăn mịn, chịu nhiệt, kiểm
sốt kích thước dãn nở nhiệt và chịu rão trong turbine và bình sinh hơi, cũng như
các hợp kim chống ăn mòn ở nhiệt độ cao.
Khi hợp kim với chromium, sẽ cải thiện độ ổn định của lớp màng thụ động,
tạo nên khả năng chống ăn mịn trong mơi trường oxy hóa tốt hơn. Tính chống ăn
mịn được cải thiện bằng cách bổ sung molybdenum và wolfram.
Một trong những thuộc tính quan trọng nhất đối với sự tạo thành hợp kim
chống ăn mòn là khả năng tương thích luyện kim của nó với các kim loại khác, như
đồng, chromium, molybdenum và sắt.
Ăn mòn là vấn đề quan trọng, song một trong những nguyên nhân chính mà
hợp kim nền nickel được chỉ định dùng là khả năng chống ăn mòn cục bộ, như ăn
mòn điểm, kẽ, nứt ăn mịn ứng suất của nó rất tốt. Trong nhiều mơi trường thép SS
khơng bị ăn mịn tổng thể nhưng lại bị ăn mòn cục bộ mạnh, sau đó rất tốn thời
gian và kinh phí để sửa chữa và thay thế.
Đôi khi hợp kim nền nickel được xem như là siêu hợp kim. Nó có độ bền
nóng cao, chịu oxy hóa tốt và nó là hợp kim của Ni, Co, và Fe với lượng Cr khá
lớn (25 đến 30%) để chống oxy hóa. Phân loại gồm có hợp kim sắt-nickel, nickel
và cobalt.
Hợp kim Inconel 690 là hợp kim nền Ni có Cr cao mà ngày nay được sử
dụng trong công nghiệp điện hạt nhân. Hàm lượng Cr trong hợp kim 690 là 30% so
với 16% của hợp kim 600. Điều này giúp cho việc chống nghèo hóa Cr do carbide
tiết phase/ trên biên giới hạt. Hơn nữa, Cr càng cao càng tăng cường khả năng
chống ăn mòn. Với 60% Ni, hợp kim 690 chống được SCC trong sodium

hydroxide (NaOH) và chloride (NaCl). Ngồi ra, trong điều kiện mơ phỏng bình
sinh hơi tại mơi trường phịng thí nghiệm, hợp kim 690 có khả năng chống nứt ăn

10


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

mòn ứng suất tinh giới IGSCC tốt. Bảng 3.3 chỉ ra thành phần hóa học của hợp
kim Inconel 600 và 690.
Bảng 3.3: Thành phần hóa học của hợp kim Inconel 600 và 690 [2].
Nguyên tố
C
Mn
P
S
Si
Cr
Ni
Mo
Fe
Cu
Co
Al
Ti
Nguyên tố

Hợp kim Inconel 600

Hợp kim Inconel 690

(EPRI Guidelines) [%]
0,025-0,05
< 1,00
0,015
< 0,010
< 0,50
15,0-17,0
> 72,0
6,0-10,0
< 0,50
0,015
-

(EPRI Guidelines) [%]
0,015-0,025
0,50
0,015
0,003
0,50
28,5-31,0
Bal ( > 58,0)
0,2
9,0-11,0
0,10
0,014
0,40
0,40
N: 0,050; B: 0,005; Nb: 0,1

khác
3.2.2. Tính hàn của vật liệu Inconel
Từ khi triển khai hơn 20 năm trước, kim loại bổ sung 82 Ni-Cr-Fe và điện
cực hàn 182 đã được sử dụng rộng rãi để hàn hợp kim nền Ni, nhất là hợp kim 600
cũng như để liên kết kim loại khác nhau gồm thép bình áp lực hàn với thép SS.
Trong những năm 1990 kim loại bổ sung 52 và điện cực hàn 152 đã được chọn
hoặc được cân nhắc như vật liệu để hàn hợp kim 690 của PWR, mà ở đó hay gặp
nứt ăn mịn do nước sơ cấp (PWSCC) và IGSCC. Các vật liệu hàn có thể dùng
được cho các quá trình hàn TIG, MIG, MMA và SAW. Bảng 3.4 liệt kê thành phần
hóa học và bảng 3.5 liệt kê cơ tính của kim loại bổ sung và kim loại mối hàn
Inconel.

11


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

Bảng 3.4: Thành phần hóa học của kim loại bổ sung Inconel [2]
Nguyê

Inconel 182

Inconel 82

Inconel 52

Inconel 152

Inconel 52 M

n tố
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni

[%]
< 0,1
<1
5-9,5
< 0,03
< 0,015
13-17
> 59

[%]
< 0,1
< 0,5
2,5-3,5
< 0,03
< 0,015
18-22
< 67

[%]
< 0,04
< 0,5

1
< 0,03
< 0,015
28-31,5
Ni+Co còn lại

[%]
< 0,05
< 0,75
<5
< 0,03
< 0,015
28-31,5
Ni+Co còn

[%]
< 0,04
< 0,5
<1
< 0,03
< 0,015
28-31,5
Ni còn lại

Mo
Nb
Ti
Fe
Al

1-2,5
<1
< 10
-

2-3
< 0,75
<3
-

< 0,5
Nb+Ta < 0,1
<1
7-11
< 1,1 (Al+Ti

lại
< 0,5
Nb+Ta 1-2,5
< 0,5
7-12
< 0,5

< 0,5
0,5-1
<1
7-11
< 1,1 (Al+Ti

Cu

Co

< 0,5
< 0,1 khi chỉ

< 0,5
< 0,12 khi chỉ

<1,5)
< 0,3
-

< 0,5
-

<1,5)
< 0,3
< 0,12

Zr
B
Ta

định
< 0,3 khi chỉ

định
-

-

-

< 0,02
< 0,005
-

Khác

định
< 0,5

< 0,5

< 0,5

< 0,5

< 0,5

Bảng 3.5. Cơ tính của vật liệu bổ sung Inconel [2].
Thông số
Rp0.2 (20ºC)
[MPa]
Rm (20ºC) [MPa]
A (20ºC) [%]
Rp0.2 (350ºC)
[MPa]
Rm (350ºC)

Alloy 182

Alloy 82

Alloy 152

Alloy 52

Alloy

> 250 / 431 300

52M**
445

> 550 / 641

396
> 550 /

> 586-

539

645

> 30 / 41
> 190 / 342

610

> 30 / 33
>190 /

750/674
> 30 /37
42
> 190 / 359 248

35
320

576

316
547

> 435 / 548 460

480

> 250 / 375* > 250 /

[MPa]
12


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

A (350ºC) [%]
46

48
37
48
37
* Values in italic are measured values presented in (Boursier et al. 2004).
** Typical values of Alloy 52M. The other values are according to RCC-M.
Dưới đây nêu tóm tắt việc đánh giá tính hàn của hợp kim nền Ni:
• Hàm lượng S nên giữ ở mức thấp có thể vì nó là ngun tố phân tán và tác động
có hại đến tính hàn hoặc các tính chất khác của hợp kim. Cần sử dụng những
nguyên tố tạo sulphide mạnh như Mg, Zr, Ti và Mn để kết hợp với lưu huỳnh
nhằm giảm thiểu ảnh hưởng xấu của nó, nhất là tại biên giới hạt.
• Hàm lượng P cũng cần được giữ như ở mức cùng với S. Khó rút bỏ nguyên tố
này khi hợp kim nóng chảy, vì vậy cần dùng phơi liệu (quặng) chứa ít P khi luyện.
• Hàm lượng Boron cần giữ ở mức thấp có thể.
• Có thể sử dụng nguyên tố bổ sung thích hợp là Mg và kim loại đất hiếm để đảm
bảo rằng các tính chất tốt khác khơng bị ảnh hưởng có hại.
• Cần quan tâm đến tốc độ nguội từ nhiệt độ vũng hàn nóng chảy và điều khiển
cẩn thận để giảm thiên tích khơng cân bằng.
• Với các sản phẩm rèn, có thể thay đổi đặc tính biên giới hạt bằng các kĩ thuật
tinh giới.
3.2.3. Kết tinh của hợp kim nền Ni và cấu trúc tế vi
Q trình DMW cung cấp phương tiện tích hợp những ưu điểm của vật liệu
thành phần và do đó cho phép người thiết kế đạt được các giải pháp thực tế chi phí
thấp thỏa mãn yêu cầu kĩ thuật. Sự hòa tan của hai kim loại cơ bản khác nhau gây
ra thành phần không xác định trong vùng nóng chảy, mà có thể làm suy giảm các
tính chất vật hàn trong một số trường hợp.
Hàm lượng Cr và Ni của hợp kim nền Ni đóng vai trị chính trong việc xác
định khả năng chống ăn mòn của vật liệu. Nó được chỉ ra trước đó rằng ảnh hưởng
IGSCC và SCC của hợp kim nền nickel có thể được ngăn chặn một cách hiệu quả
13

NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

bằng cách xác định hoặc là trọng lượng 30% Cr hoặc trọng lượng 60% Ni. Ngồi
ra, Cr có ái lực cao với C và dễ dàng tạo thành carbide. Nhiệt sinh ra trong quá
trình hàn làm cho Cr dễ dàng tương tác với C để tạo thành carbide như M 23C6 và
M7C3, sau đó những carbide này tiết phase tại tinh giới. Phản ứng này có thể làm
nghèo Cr trong lớp hàn đầu tiên hoặc trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), như vậy
tính chống ăn mịn giảm đi. Vấn đề nghèo Cr có thể được khắc phục hoặc bằng
cách tăng hàm lượng Cr của hợp kim, hoặc bằng cách đưa vào nguyên tố có ái lực
cao như Ti và Nb để ổn định carbon.
Vai trò của C trong việc ảnh hưởng đến cơ tính của siêu hợp kim nền Ni
chủ yếu qua sự hình thành carbide sơ cấp và thứ cấp. Carbide sơ cấp như dạng MC
từ khi nóng chảy hoặc ở nhiệt độ cao sau kết tinh sơ cấp. Có thể gây ra carbide MC
khi tiết phase rời rạc tại biên giới hạt hoặc tại khuyết tật khác trong hạt mà khơng
có ưu tiên vị trí. Thành phần M thường là Nb hoặc Ti, mặc dù cũng có thể thay thế
bằng Mo và W. Dạng carbide thứ cấp khi xử lí nhiệt thường là dạng M 23C6, với sự
hình thành chủ yếu tại tinh giới. Thành phần M điển hình là Cr, có thể thay bằng
Mo và W. Carbide M6C tương tự như M23C6 cũng được hình thành khi xử lí nhiệt
tại một số siêu hợp kim.
Khi chế tạo đường ống bình sinh hơi, việc kiểm tra điều kiện luyện kim của
vật liệu là rất quan trọng. Như hợp kim 600 và 690 liên quan, có lẽ yếu tố riêng ảnh
hưởng nhất mà quyết định tính chất cuối cùng của ống là hàm lượng carbon. Vì độ
hồ tan của carbon trong các vật liệu này là khá thấp, chromium carbides dễ dàng
tạo thành trong chu kì ủ và cũng có thể vẫn khơng tan nếu nhiệt độ khơng đủ cao.
Nói chung, carbide khơng tan khi ủ có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc tế vi tạo ra
và cuối cùng cũng đến cơ tính.
Lee và Jeng [8] đã nghiên cứu đặc trưng hàn kim loại khác nhau của hợp
kim nền Ni 690 với thép SS 304L dùng hai kim loại bổ sung thay đổi luân phiên,

cụ thể, 82 (I-82) và 52 (I-52). Hàn GTAW với thơng số và quy trình hàn được sử
14


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

dụng để thực hiện hàn giáp mối vát mép chữ V- với lượt sau trong bốn lớp giữa
hợp kim 690 nền Ni và thép SS 304L. Thành phần hóa học của kim loại cơ bản và
kim loại bổ sung được trình bày trong bảng 3.6.
Cấu trúc tế vi của hợp kim 690 nền kim loại được cho trên hình 3.3. Cấu
trúc này là phase austenite đơn với song tinh ủ được hình thành khi nhiệt luyện.
Nhiều phần tử tiết phase/ kết tủa phân tán trên nền và dọc theo tinh giới. Tiết phase
chính là TiN và Cr23C6. Tiết phase TiN có thể được thấy như là hình chữ nhật nhỏ
trong các hạt và hiện ra màu vàng dưới kính hiển vi quang học. Cr 23C6 được phân
bố tại biên giới hạt. Cấu trúc tế vi của thép SS 304 được cho trên hình 3.3b. Hình
ảnh này chỉ ra phase austenite với song tinh và δ-ferrite.

Bảng 3.6. Thành phần hóa học của kim loại cơ bản hợp kim 690 và thép
SS 304L, kim loại bổ sung I-52 và I-82 (mass.-%) [8].
Nguyên

690

304L

I-52

I-82

tố

C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Al
Cu
Nb
Ti
Fe

0.02
0.35
0.29
0.007
0.001
29.70
60.65
…
0.02
…
0.20
8.76

0.03
1.00
2.00
0.045

0.003
18.00
8.00
…
…
…
…
Bal.

0.03
0.15
0.24
0.003
0.001
28.83
60.65
0.71
0.01
…
0.51
8.86

15

0.04
0.09
0.92
0.007
0.001
19.76

73.38
0.05
0.07
0.27
0.44
0.94


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

Hình 3.3. Cấu trúc tế vi của hợp kim: (a) inconel 690; (b) SS 304L [8].
Hình 3.4 trình bày cấu trúc tế vi vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong hợp
kim 690 và 304L. Trong HAZ của hợp kim 690, kích thước hạt thay đổi theo sự
phân bố nhiệt. Xét từ đường tâm vùng nóng chảy đến kim loại cơ bản của hợp kim
690, đầu tiên thấy rõ là hạt lớn, rồi đến vùng hạt mịn dần và cuối cùng là kim loại
cơ bản. Cấu trúc tế vi trong thép SS 304L cho thấy sự phân bố của δ-ferrite phase,
chịu ảnh hưởng bởi nhiệt hàn.

Hình 3.4. Cấu trúc tế vi của HAZ trong hợp kim 690 và SS 304L [8].
Hình 3.5 trình bày cấu trúc tế vi phân hạt của mối hàn I-82. Sự phát triển
đẳng trục cũng xảy ra một cách tự nhiên trong I-82. Ở phần nhơ (mũ) vùng nóng
chảy, cấu trúc tế vi trung tâm là nhánh cây đẳng trục, nhưng nơi gần với hai kim
16


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

loại cơ bản nó có dạng nhánh cây hình kim. Cấu trúc tế vi khơng chịu ảnh hưởng
từ bất cứ hiệu ứng hòa tan nào. Cấu trúc tế vi tại chân vùng nóng chảy tương tự
như I-52. Khu vực liên nhánh cây tại chân vùng nóng chảy lớn hơn trong vùng

nóng chảy thuộc phần nhơ. Số lượng tiết phase trong I-82 lớn hơn trong I-52.
Trong I-82 kết tủa/ tiết phase (phần tử bề mặt) được tạo nên chủ yếu do nickel,
niobium, chromium và titanium.

Hình 3.5. Cấu trúc phân hạt của mối hàn I-82: (a) bề mặt phần nhô gần vùng SS
304L; (b) bề mặt phần nhô gần đường tâm; (c) bề mặt phần nhô gần vùng hợp kim
690; (d) bề mặt chân mối hàn gần vùng SS 304L; (e) bề mặt chân mối hàn gần
đường tâm; (f) bề mặt chân mối hàn gần vùng hợp kim 690 [8].
Khảo sát kim tương của mối hàn hợp kim 82 chỉ ra ba cấu trúc tế vi phân
biệt rõ ràng. Hình 3.6 trình bày ảnh SEM của các cấu trúc phân hạt khác nhau được
quan sát trong mối hàn hợp kim 82. Các hạt kết tinh lại được quan sát trong vùng
giới hạn giữa các đường hàn (hình 3.6a). Các hạt nhánh cây ơ là những hạt có
thang kích thước tương tự các hạt kết tinh lại, như trong hình 3.6b. Các biên giới
hạt kết tinh được phân biệt dễ dàng hơn dưới sự chiếu sáng Nomarski DIC so với

17


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

ánh sáng phân cực. Phần lớn cấu trúc hàn chứa các hạt nhánh cây hình kim, như
trên hình 3.6c.

Hình 3.6. Ảnh SEM cấu trúc phân hạt được khảo sát trong mối hàn hợp kim 82:
(a) hạt kết tinh lại; (b) hạt nhánh cây ô; (c) hạt nhánh cây hình kim [2].
3.3. Nứt nóng mối hàn
Sự co bị hạn chế của mối hàn khi nguội tạo nên suất kéo ở liên kết và thậm chí có
thể gây ra khuyết tật mối hàn nghiêm trọng nhất – vết nứt. Nứt có thể xảy ra trong
kim loại mối hàn, trong vùng ảnh hưởng nhiệt, hoặc trong cả hai vùng. Nứt nóng là
một dạng tổng thể, mà có thể nhìn thấy bằng mắt thường và được gọi là nứt thơ,

hoặc chỉ có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi, trong trường hợp này nó được gọi là vi
nứt. Nứt nóng được phân loại dựa trên vị trí của chúng được gọi là nứt kết tinh, mà
chúng được nhìn thấy trong mối hàn đã kết tinh, nứt tinh chế mà được thấy trong
18


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

HAZ của kim loại cơ bản và nứt do giảm tính dẻo mà được thấy tại kim loại mối
hàn hoặc HAZ. Không phụ thuộc vào phân loại, mọi nứt nóng:
• xảy ra khi mối hàn kết tinh;
• dọc theo biên giới hạt hoặc phân hạt trong kim loại mối hàn;
• xảy ra khi lớp chất lỏng tồn tại ở biên giới các hạt rắn;
• thường không được tạo ra với điểm sắc (phần lớn bắt đầu với dạng trịn);
• lan lên bề mặt mà có thể tạo màu do oxy hóa (mặc dù các vết nứt khơng tiếp xúc
và khơng bị oxy hóa thể hiện màu của kim loại ban đầu).
3.3.1. Nứt kết tinh
Có hai điều kiện tiên quyết cần thiết cho sự xuất hiện nứt trong chu kì
nhiệt hàn: kim loại phải khơng đủ độ dẻo và ứng suất kéo phát triển khi co ngót
phải vượt quá ứng suất phá hủy tương ứng. Nứt kết tinh có thể được xảy ra theo hai
chế độ.
Thứ nhất, có thể ảnh hưởng đến nóng chảy và đơng đặc mối hàn, liên quan
đến thành phần hợp kim. Khi làm nguội hợp kim lỏng xuống dưới đường nhiệt độ
lỏng, tinh thể rắn tạo mầm và các mầm phát triển cho đến khi chúng liên kết cùng
nhau tạo thành dạng liền khối, mặc dù khối đó chưa hồn tồn đơng đặc. Ở nhiệt
độ này, hợp kim thu được một số tính năng độ bền cơ học đầu tiên. Trước tiên nó
giịn, nhưng khi làm nguội tiếp xuống nhiệt độ chuyển tiếp dẻo (NDT), độ dẻo xuất
hiện và tăng lên mạnh cùng với độ giảm nhiệt độ, như trên hình 3.7.
Khoảng cách giữa nhiệt độ liền khối và nhiệt độ chuyển tiếp dẻo được gọi
là phạm vi nhiệt độ giòn (BTR) và người ta thấy rằng hợp kim có phạm vi nhiệt độ

giòn rộng lớn là hợp kim nhạy cảm với nứt hàn, trong khi những hợp kim có phạm
vi nhiệt độ giịn hẹp thì khơng nhạy cảm.

19


NGUYỄN ĐỨC THẮNGN ĐỨC THẮNGC THẮNGNG

Hình 3.7. Cơ tính của kim loại là hàm số của nhiệt độ [2].
Chế độ thứ hai của nứt kết tinh (tinh chế) mà xảy ra ở vùng đặc được hiểu
là do sự có mặt của màng chất lỏng liên tục giữa các hạt. Chất lỏng có thể là cùng
tinh, như hợp kim nhơm nhạy cảm nứt nhất định, hoặc nó có thể được hình thành
bởi tạp chất như S trong thép. Trong các trường hợp mà ở đó các tạp chất thúc đẩy
vết nứt, lớp màng chỉ hình thành nếu chất lỏng làm ướt biên giới hạt; tức là năng
lượng bề mặt của nó có liên quan tới các biên giới hạt là thấp. Sulphur và
phosphorus có xu hướng mở rộng phạm vi đơng đặc của thép lên rất nhiều. Vì
chúng có xu hướng khá mạnh để tạo thiên tích tại biên giới và tạo thành các hợp
chất có nhiệt độ nóng chảy thấp, chúng có thể gây ra vết nứt nghiêm trọng, thậm
chí với nồng độ tương đối thấp. S và P cũng có thể gây ra nứt kết tinh trong hợp
kim nền Ni và thép SS ferrite. Các tính năng phân biệt của vết nứt tinh chế là sự
hiện diện của màng chất lỏng còn lại trên bề mặt phá hủy. Các dạng thù hình có thể
là nhánh cây, nhưng khơng phải trường hợp nào cũng vậy. Nứt giảm độ dẻo không
thể hiện màng chất lỏng. Mức độ cản trở càng cao, hợp kim đã cho càng dễ nứt.
Mức độ cản trở là hàm số của dạng liên kết, độ cứng vững của kết cấu, khe hở giữa
các mép giáp mối, chiều dày tương đối của tấm và kim loại mối hàn. Cản trở lớn

20