580 mm 末級葉片高頻釬焊司太立合金防水蝕工藝研究

黃有為， 武彥榮， 石聯峰， 梁剛， 向沖

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000 )

0 引言

汽輪機低壓部分葉片工作在含有水滴的濕蒸汽腐蝕介質環境下, 承受離心力、 蒸汽作用力、激振力及濕蒸汽所攜帶水滴沖刷的共同作用, 極易遭到水蝕。 發生水蝕不僅使汽輪機做功能力和效率下降, 改變葉片的震動特性, 嚴重則使葉片進出汽邊緣呈現鋸齒狀, 形成很多細小的裂紋,甚至出現缺口, 進一步惡化很可能造成汽輪機的葉片事故。 司太立合金具有硬度高、 耐磨損、 抗氧化、 組織穩定、 有較好的抗水蝕性能等特點,水滴撞擊時僅引起小量變形。 實踐證明, 使用釬焊司太立合金片的末級葉片, 其壽命可得到大幅度提高, 減少電廠更換葉片的成本。

公司新設計的透平給水泵汽輪機末級葉片（材料： 05Cr17Ni4Cu4Nb, 汽道長度： 580 mm）的防水蝕工藝選用高頻釬焊司太立合金片。 該葉片尺寸較小, 進汽邊釬焊部位結構與常規大尺寸末級葉片有所不同, 需用試驗來對其高頻釬焊參數進行確定。

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

（1）模擬葉片

試驗件采用與產品葉片相同材質的模擬葉片,模擬產品葉片拉筋以上的全部結構, 能最大程度反映產品葉片在釬焊過程中的受熱狀態, 并且節約了試驗成本。

（2）司太立合金片

材料： Co6Cr30W5, 長度173.5 mm, 寬度11.72 mm。 主要化學成分如表1 所示。

表1 司太立合金片化學成分 wt.%

（3）銀釬焊片

規格： 厚度0.8 mm×寬度8 mm。 主要化學成分如表2 所示。

表2 銀焊片化學成分

（4）銀釬焊焊劑

焊劑性狀： 粉狀。 活性溫度：550～870 ℃。

1.2 試驗設備及工裝

本試驗加熱設備采用GP-100 型高頻感應加熱器。 葉片變位及夾持裝置采用了專為580 mm 葉片葉根型線設計制作的專用葉冠與葉根夾具。

釬焊所使用感應器采用Φ5 mm 的銅管, 根據580 mm 葉片進汽邊型線手工彎制、 焊接而成, 保證了葉片釬焊部位在感應器有效加熱區。

鎖緊壓頭采用實心陶瓷管制作, 作用是保證司太立合金片與葉片進汽邊開槽在加熱過程中緊密貼合防止松動。

2 試驗方法

2.1 釬焊流程

釬焊流程主要包括以下步驟：

（1）焊前準備： 葉片及司太立合金片打磨、 配片、 清洗、 焊劑調制；

（2）涂刷焊劑：在葉片合金槽、 司太立合金片、銀焊片上涂刷焊劑；

（3）壓緊壓頭： 固定合金片；

（4）高頻釬焊；

（5）補焊： 高頻釬焊后需要對未熔合的部位進行手工補焊。

2.2 試驗方法

公司在燃機項目ST 部分的低壓末級葉片有較為成功的釬焊技術儲備, 利用燃機參數對試驗葉片進行釬焊, 根據無損檢測結果, 判定參數效果。再通過調整參數, 結合無損檢測結果確定參數,利用該參數進行焊接試板和微觀組織檢測, 最終確定適用于580 mm 葉片的專用高頻釬焊參數。

3 試驗過程

580 mm 葉片與燃機項目末級葉片結構相似,但580 mm 葉片的進汽邊開槽的厚度減少很多, 在加熱過程中容易使該部位過熱甚至熔化, 如圖1所示。 因此需要對燃機項目使用的參數進行調整后使用。 考慮到580 mm 葉片厚度較小, 因此先調整預熱電壓至100 V, 并縮短預熱時間至50 s, 避免預熱時將釬料中的水分蒸發過多, 造成釬料無法在熔化時自然流動, 具體參數如表3 所示。

表3 第一次試驗參數

采用表3 中的參數進行了5 片葉片釬焊后,通過射線探傷發現, 5 片葉片均不滿足標準要求。其中一片頂部貼合面積小于60%。 為了確定底片中所反映的缺陷類型和形態, 對該葉片葉冠位置進行了解剖。 通過對比底片和觀察截面可以看出,葉冠頂部前3 個樣共計9 mm 的區域有明顯的未貼合情況, 符合小于60%的判斷, 后16 mm 區域的解剖面有點缺陷顯示, 如圖2 所示。

初步判斷產生缺陷的原因可能是預熱電壓過小, 焊劑中的水分并未得到有效蒸發, 在釬焊過程中, 司太立合金片與葉片之間形成了大量汽孔,隨著焊劑的凝固, 最終形成射線探傷底片中所反映的未熔合現象。 因此, 為了充分蒸發水分, 對初選參數再次進行調整, 將預熱電壓恢復至燃機項目所用的120 V, 將預熱時間適當縮短至45 s。同時, 在使用初選參數進行試驗時發現保溫結束后, 葉片溫度較高, 遂將降溫時間縮短至10 s,具體參數如表4 所示。

圖2 不合格葉片解剖形貌

表4 優化后試驗參數

4 試驗結果

4.1 無損檢測

根據無損檢驗標準, 對采用優化后參數進行釬焊的4 片模擬葉片進行射線探傷、 超聲波探傷和著色探傷, 檢驗結果均滿足相關標準要求, 并未發現超標缺陷。

4.2 解剖檢驗

對這4 片無損檢驗合格的葉片進氣邊葉冠、釬焊部位中部、 尾部這3 個區域進行解剖檢驗,并對葉片基體、 合金片硬度、 焊部位基材的晶粒度進行檢測, 結果如圖3 所示。 通過檢測結果可以看出司太立合金片的硬度在360～420 HV 之間,滿足材料性能要求的HRC33-50, 加熱區基材的硬度在282～296 HV 之間, 滿足材料性能要求的277～321 HB。 熱影響區晶粒度為5 級, 母材晶粒度為4 級。

圖3 葉片硬度情況

4.3 抗拉試板檢驗結果

根據ASME IX, QB-451.3 的要求, 對釬焊工藝進行拉伸試驗。 試板采用QB-462.1 （C） 中的“板材搭接和嵌接接頭的縮截面” 拉伸試樣, 如圖4 所示。 其中紅色的部分為司太立合金板, 采用與葉片釬焊相同的工藝參數進行焊接。

圖4 抗拉試板

通過試板的斷裂情況可以看出, 試板的斷裂位置為司太立合金板, 如圖4 所示。 由此可知焊縫的結合強度大于司太立合金的最低強度。

剪切強度τ0=最大拉力×1 000 N/（貼合面積×貼合率）

通過對試板的底片進行貼合率計算, 獲得貼合率, 并根據剪切強度計算公式進行計算, 最終算出了釬焊處剪切強度值如表5 所示。

表5 試板剪切強度

從剪切強度的計算結果可以看出, 使用優化后參數焊接的試板的剪切強度不小于46 kg/mm2,遠遠高于標準要求的10 kg/mm2。

5 結論

（1）通過試驗, 確定580 mm 葉片高頻釬焊工藝參數為： 120 V 電壓下預熱45 s, 升至230 V 后保溫20 s, 保溫結束后在10 s 內完成閉電降溫。

（2）使用該工藝參數釬焊的葉片無損檢測結果滿足標準要求、 葉片實物解剖后金相組織、 晶粒度和硬度正常, 利用該工藝參數焊接的抗拉試板強度滿足標準要求。

（3）該參數可應用于產品葉片的高頻釬焊。