黄有为， 武彦荣， 石联峰， 梁刚， 向冲

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000 )

0 引言

汽轮机低压部分叶片工作在含有水滴的湿蒸汽腐蚀介质环境下, 承受离心力、 蒸汽作用力、激振力及湿蒸汽所携带水滴冲刷的共同作用, 极易遭到水蚀。 发生水蚀不仅使汽轮机做功能力和效率下降, 改变叶片的震动特性, 严重则使叶片进出汽边缘呈现锯齿状, 形成很多细小的裂纹,甚至出现缺口, 进一步恶化很可能造成汽轮机的叶片事故。 司太立合金具有硬度高、 耐磨损、 抗氧化、 组织稳定、 有较好的抗水蚀性能等特点,水滴撞击时仅引起小量变形。 实践证明, 使用钎焊司太立合金片的末级叶片, 其寿命可得到大幅度提高, 减少电厂更换叶片的成本。

公司新设计的透平给水泵汽轮机末级叶片（材料： 05Cr17Ni4Cu4Nb, 汽道长度： 580 mm）的防水蚀工艺选用高频钎焊司太立合金片。 该叶片尺寸较小, 进汽边钎焊部位结构与常规大尺寸末级叶片有所不同, 需用试验来对其高频钎焊参数进行确定。

1 试验材料及设备

1.1 试验材料

（1）模拟叶片

试验件采用与产品叶片相同材质的模拟叶片,模拟产品叶片拉筋以上的全部结构, 能最大程度反映产品叶片在钎焊过程中的受热状态, 并且节约了试验成本。

（2）司太立合金片

材料： Co6Cr30W5, 长度173.5 mm, 宽度11.72 mm。 主要化学成分如表1 所示。

表1 司太立合金片化学成分 wt.%

（3）银钎焊片

规格： 厚度0.8 mm×宽度8 mm。 主要化学成分如表2 所示。

表2 银焊片化学成分

（4）银钎焊焊剂

焊剂性状： 粉状。 活性温度：550～870 ℃。

1.2 试验设备及工装

本试验加热设备采用GP-100 型高频感应加热器。 叶片变位及夹持装置采用了专为580 mm 叶片叶根型线设计制作的专用叶冠与叶根夹具。

钎焊所使用感应器采用Φ5 mm 的铜管, 根据580 mm 叶片进汽边型线手工弯制、 焊接而成, 保证了叶片钎焊部位在感应器有效加热区。

锁紧压头采用实心陶瓷管制作, 作用是保证司太立合金片与叶片进汽边开槽在加热过程中紧密贴合防止松动。

2 试验方法

2.1 钎焊流程

钎焊流程主要包括以下步骤：

（1）焊前准备： 叶片及司太立合金片打磨、 配片、 清洗、 焊剂调制；

（2）涂刷焊剂：在叶片合金槽、 司太立合金片、银焊片上涂刷焊剂；

（3）压紧压头： 固定合金片；

（4）高频钎焊；

（5）补焊： 高频钎焊后需要对未熔合的部位进行手工补焊。

2.2 试验方法

公司在燃机项目ST 部分的低压末级叶片有较为成功的钎焊技术储备, 利用燃机参数对试验叶片进行钎焊, 根据无损检测结果, 判定参数效果。再通过调整参数, 结合无损检测结果确定参数,利用该参数进行焊接试板和微观组织检测, 最终确定适用于580 mm 叶片的专用高频钎焊参数。

3 试验过程

580 mm 叶片与燃机项目末级叶片结构相似,但580 mm 叶片的进汽边开槽的厚度减少很多, 在加热过程中容易使该部位过热甚至熔化, 如图1所示。 因此需要对燃机项目使用的参数进行调整后使用。 考虑到580 mm 叶片厚度较小, 因此先调整预热电压至100 V, 并缩短预热时间至50 s, 避免预热时将钎料中的水分蒸发过多, 造成钎料无法在熔化时自然流动, 具体参数如表3 所示。

表3 第一次试验参数

采用表3 中的参数进行了5 片叶片钎焊后,通过射线探伤发现, 5 片叶片均不满足标准要求。其中一片顶部贴合面积小于60%。 为了确定底片中所反映的缺陷类型和形态, 对该叶片叶冠位置进行了解剖。 通过对比底片和观察截面可以看出,叶冠顶部前3 个样共计9 mm 的区域有明显的未贴合情况, 符合小于60%的判断, 后16 mm 区域的解剖面有点缺陷显示, 如图2 所示。

初步判断产生缺陷的原因可能是预热电压过小, 焊剂中的水分并未得到有效蒸发, 在钎焊过程中, 司太立合金片与叶片之间形成了大量汽孔,随着焊剂的凝固, 最终形成射线探伤底片中所反映的未熔合现象。 因此, 为了充分蒸发水分, 对初选参数再次进行调整, 将预热电压恢复至燃机项目所用的120 V, 将预热时间适当缩短至45 s。同时, 在使用初选参数进行试验时发现保温结束后, 叶片温度较高, 遂将降温时间缩短至10 s,具体参数如表4 所示。

图2 不合格叶片解剖形貌

表4 优化后试验参数

4 试验结果

4.1 无损检测

根据无损检验标准, 对采用优化后参数进行钎焊的4 片模拟叶片进行射线探伤、 超声波探伤和着色探伤, 检验结果均满足相关标准要求, 并未发现超标缺陷。

4.2 解剖检验

对这4 片无损检验合格的叶片进气边叶冠、钎焊部位中部、 尾部这3 个区域进行解剖检验,并对叶片基体、 合金片硬度、 焊部位基材的晶粒度进行检测, 结果如图3 所示。 通过检测结果可以看出司太立合金片的硬度在360～420 HV 之间,满足材料性能要求的HRC33-50, 加热区基材的硬度在282～296 HV 之间, 满足材料性能要求的277～321 HB。 热影响区晶粒度为5 级, 母材晶粒度为4 级。

图3 叶片硬度情况

4.3 抗拉试板检验结果

根据ASME IX, QB-451.3 的要求, 对钎焊工艺进行拉伸试验。 试板采用QB-462.1 （C） 中的“板材搭接和嵌接接头的缩截面” 拉伸试样, 如图4 所示。 其中红色的部分为司太立合金板, 采用与叶片钎焊相同的工艺参数进行焊接。

图4 抗拉试板

通过试板的断裂情况可以看出, 试板的断裂位置为司太立合金板, 如图4 所示。 由此可知焊缝的结合强度大于司太立合金的最低强度。

剪切强度τ0=最大拉力×1 000 N/（贴合面积×贴合率）

通过对试板的底片进行贴合率计算, 获得贴合率, 并根据剪切强度计算公式进行计算, 最终算出了钎焊处剪切强度值如表5 所示。

表5 试板剪切强度

从剪切强度的计算结果可以看出, 使用优化后参数焊接的试板的剪切强度不小于46 kg/mm2,远远高于标准要求的10 kg/mm2。

5 结论

（1）通过试验, 确定580 mm 叶片高频钎焊工艺参数为： 120 V 电压下预热45 s, 升至230 V 后保温20 s, 保温结束后在10 s 内完成闭电降温。

（2）使用该工艺参数钎焊的叶片无损检测结果满足标准要求、 叶片实物解剖后金相组织、 晶粒度和硬度正常, 利用该工艺参数焊接的抗拉试板强度满足标准要求。

（3）该参数可应用于产品叶片的高频钎焊。