专业知识

1、司太立合金的应用

核电站汽轮机高压缸的来汽为饱和蒸汽，排汽经汽水分离再热器再热后进入低压缸。低压缸的排气蒸汽在40℃时为两相混合物，含有大量疏水性。由于低压缸末级和末级二段的进口是含有水滴的湿蒸汽，虽然叶片工作温度不高，但圆​​周速度高，会造成叶片水蚀。资料显示，393台汽轮机发生叶片水蚀事故；在35起低压缸叶片损坏事故中，13起是水蚀事故。可见，叶片水蚀对汽轮机安全运行构成重大威胁。

司太立合金组织稳定，硬度高，水滴冲刷变形小，韧性好，不易开裂，并具有一定的塑性，良好的耐磨和水腐蚀性能，焊接性能好，是涡轮低压缸动叶片进口侧防腐材料的最佳选择。

目前韶欣低压汽缸叶片防腐片所使用的司太立合金防腐片供应情况为表面喷丸处理L型无叶片型材样品，需要现场冷弯变形。使合金薄板与刃槽配合良好后，方可进行焊接。核电汽轮机运行几个循环后，发现大量防腐片表面出现横向裂纹，出现严重水蚀；而在同一缸体中，进口电器产品生产的叶片上的司太立防腐片完好无损，说明国产司太立防腐片完好。立式合金防腐板的防腐和开裂性能与进口样品相比仍有较大差距。为提高国产司太立合金防腐板的性能，改进合金板的成型工艺，本文对国产和进口防腐板的成分和显微组织进行了研究，并探讨了由合金防腐板引起的一些问题。发现了成型工艺，可以针对成型工艺进行优化。供参考。

2、目前防腐板材成型工艺及分析

为了使防腐片材的型材符合叶片要求，满足焊接要求，成型工艺如下：

(1）现场使用角磨机打磨焊缝表面区域，去除氧化膜并倒角。

(2）反复弯曲和扭曲形状，使其形状符合叶片入口侧轮廓的要求，见图1。

2.1 过程分析

L型无线司太立合金片打磨去除表面氧化皮，齿根侧倒角打磨。经过机械研磨后，防腐片表面的应力状态发生了变化。磨削前喷丸处理产生的有利于抑制裂纹形核和扩展的压应力变成驱动裂纹扩展的拉应力，拉应力沿合金板的宽度方向。 , 与前面分析的裂纹方向垂直，成为合金薄片开裂的驱动力。

司太立合金难成型，铸棒冷扭310后开裂。司太立合金用于电站汽轮机末级叶片防腐片，长度约50~ 600），已超过合金锭所能承受的最大扭转角。已经发生损伤，在使用过程中容易引起应力集中，从而促进裂纹萌生。

2.2重音讨论

残余应力会对金属零件的疲劳强度、抗脆性断裂、抗应力腐蚀和形状稳定性产生重要影响[7]。拉应力会严重恶化材料的抗裂性，因此对重要受力部位表面进行喷丸处理，在表面形成循环塑性变形层，改善疲劳、应力腐蚀和氢脆等抗断裂强化机制角磨机磨削产生的残余拉应力破坏了喷丸板表面，还引入了裂纹萌生和裂纹扩展的动拉应力，不利于防止开裂。因此，现场加工应取消破坏表面应力状态的磨削工艺，考虑采用化学方法去除表面氧化膜，使表面保持压应力状态，可提高材料的抗裂性。

3、分析与讨论

分析国产与进口防腐片化学成分、显微组织、硬度和碳化物成分的差异，研究国产与进口防腐片加显微组织的差异。

3.1 成分分析

表1显示了不同防腐片材的化学成分。结果表明，国产防腐板材中Fe元素含量高于进口样品。 W和Mo可以通过稳定面心立方相来影响材料的腐蚀行为。 W、Mo、Cr元素起到固溶强化作用。

司太立合金的塑性与合金的化学成分和显微组织有关。 Cr元素可以提高合金的耐蚀性和耐磨性能，通过形成M7C3和[10]来提高合金的强度。 W和Mo不仅起到固溶强化作用，而且还形成MC和MC6[11]，对合金有析出强化作用。

3.2 组织分析

图2为国产司太立合金防腐片从叶片上切下并严重水蚀的金相组织。从图中可以看出，各区域组织为等轴奥氏体+碳化物，晶粒内部有大量孪晶，碳化物在晶界连续或不连续分布，容易导致增加在材料的脆性方面。

表面区域的粒级为8~10，中间区域的粒级为6~7。表面和内部的晶粒尺寸差异较大，造成混合晶粒结构，会影响材料的力学性能。这种组织的形成与热处理或加工过程中温度不均匀、材料各部分变形程度不一致、奥氏体部分再结晶区变形终止有关。从图3可以看出，晶粒内有大量的变形孪晶和少量的退火孪晶。在晶粒内部形成界面平坦的板孪晶，其效果类似于细化晶粒，可以提高金属的强度。

金属材料中孪晶的形成需要产生堆垛层错，理论上是在变形过程中的晶界迁移过程中形成的。当滑移受阻时，在应力集中处形成孪晶高温耐磨堆焊焊条，通过位错运动形成均匀剪切。变形孪晶的内应变大，在应力循环过程中容易开裂。退火双胞胎一般很难消失，可以充分生长并吞噬周围的结构。退火孪晶具有较小的应变、较高的孪晶界强度和良好的抗裂性。

硬质合金的硬度和脆性远大于基体，变形抗力大。在应力作用下，粗大的碳化物会导致应力集中，进而产生裂纹。由于碳化物沿晶界分布引起的拉应力集中，表面区域机械磨削产生的拉应力导致脆性防腐片发生开裂。

图 4 显示了从叶片上取下并遭受水蚀的进口西屋司太立合金的金相组织。可以看出组织为等轴奥氏体+碳化物，进口防腐片的碳化物分布与国产样品相比，分布更均匀，主要分布在晶粒中高温耐磨堆焊焊条，晶界为辅（统计如图< @5）)，而不是集中在晶界。细分散的碳化物可以钉住位错，增加其运动阻力，从而有效强化。合金板的中心结构中存在大量的退火孪晶，而不是变形孪晶，说明试样的热加工状态与国产防腐片不同。表面区域存在大量变形孪晶。中部和中部晶粒度等级为6~8级，分布较均匀，国内样品无混晶结构。

图5显示了国产和进口司太立合金样品中碳化物的分布。国内样品的682个碳化物中，488个分布在晶界，占总数的71.6%；在进口样品的748个碳化物中，228个碳化物分布在晶界，占30.5%，是进口样品的一半。碳化物分布的差异是司太立合金耐水腐蚀性能差异的原因之一。

3.3硬度分析

表 2 显示了司太立合金表面的维氏硬度。结果表明，国产样品的硬度有最大值、最小值和平均值之分。进口样品的平均表面维氏硬度与国产样品相同，无显着差异。司太立合金的硬度与碳化物的分布和基体的均匀性有关。国产与进口样品硬度略有差异，也可能与热处理状态有关。但从两种材料的硬度数据来看，材料之间并无明显差异。

3.4 碳化物分析

司太立合金在冷却过程中形成并分布在晶界和晶粒内的碳化物对γ-Co基体起到强化作用。二次碳化物钉住位错并强化合金基体。二次碳化物的形貌、分布和尺寸会影响基体的强化效果。

图6为司太立合金中碳化物的能谱分析结果。各元素的成分见表3。从图中可以看出，碳化物的主要成分为C、Cr、Co、W和Mo，各合金元素含量相当，为MC型碳化物国产和进口司太立合金样品的碳化物成分相似，无显着差异。

司太立合金中碳化物的种类与合金成分、晶体结构和物理形态等因素有关。

4、结论

研究了两种国产和进口叶片防腐片用司太立合金的显微组织、硬度和碳化物。通过对比分析，得出以下结论。

(1）国产防腐片中部和内部晶粒度差异大，碳化物沿晶界分布，影响材料力学性能。

(2）与进口防腐板相比，国产样品中存在大量变形孪晶，内应变大，应力循环时易开裂。

(3）国产防腐片Fe含量略高于进口样品，碳化物成分相近，均为MC型碳化物。

5、结束

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下期再见！