司太立6号化学成分 CoCrW（司太立6B）锻件/圆棒/板材

1、司太立合金应用情况

核电站汽轮机高压缸进汽为饱和蒸汽，排汽经汽水分离器再热器再热后，通往低压缸，低压缸排汽为40℃含有大量疏水的两相混合物。由于低压缸末级、次末级叶片进口为含有液滴的湿蒸气，虽叶片运行温度不高，但圆周速度高，会引起叶片的水蚀。资料记载，393台汽轮机发生过叶片水蚀造成的断裂事故；在35起低压缸叶片的损伤事故中，有13起由水蚀事故引起，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，水滴冲蚀引起变形量小，韧性好，不易开裂，且有一定的塑性，具有很好的耐磨和耐水蚀能力，焊接性能良好，是汽轮机低压缸动叶进口侧防水蚀材料的最佳选择。

目前，哈尔滨汽轮机厂低压缸叶片防蚀片所采用司太立合金防蚀片的供货状态为表面喷丸处理L型无叶片型线样品，需经现场冷弯扭变形，使合金片与叶片凹槽配合良好，才能用于焊接。在核电汽轮机上运行几个循环后，发现大量防蚀片表面存在横向裂纹，且发生严重水蚀；而同一汽缸内，进口电气生产叶片上的司太立防蚀片则完好无损，说明国产司太立合金防蚀片和进口样品的抗水蚀及开裂性能上还存在较大差距。为了提高国产司太立合金防蚀片的性能，改进合金片的成型工艺，本文研究了国产和进口防蚀片的成分及显微组织，发现了成型工艺导致的一些问题，可为成型工艺优化提供参考。

2、目前防蚀片成型工艺及分析

为使防蚀片具有符合叶片要求的型线，达到焊接要求，采用的成型工艺如下：

（1）现场用角磨机打磨焊接表面区域，去除氧化膜，并为端部倒角。

（2）反复弯扭矫型，使其形状符合叶片进气侧型线要求，见图1。

2.1工艺分析

对L型无线型的司太立合金片进行打磨，去除表面的氧化皮，修磨齿根侧倒角。机械打磨后，改变了防蚀片表面的应力状态，由打磨前喷丸导致的对抑制裂纹形核及扩展有利压应力，变为驱动裂纹扩展的张应力，且张应力沿合金片的宽度方向，与以往分析的裂纹方向垂直，成为合金片开裂的驱动力。

司太立合金成型困难，铸造棒材冷扭310即发生开裂。电站汽轮机末级叶片防蚀片用司太立合金，长度约350mm，现场冷加工扭转角度达（50~600），已超过合金铸锭能承受的最大扭转角度，在反复扭转过程中可能已发生损伤，在服役过程中易导致应力集中，进而促进裂纹萌生。

2.2应力讨论

残余应力会对金属部件的疲劳强度、抗脆断能力、抗应力腐蚀及形状稳定性等[7]产生重要影响。张应力会使材料抗裂性能严重恶化，所以重要受力部件表面采用喷丸处理，在表面形成循环塑性变形层，以改善疲劳，应力腐蚀、氢脆等断裂抗力强化机制。角磨机打磨产生的残余张应力破坏了喷丸防蚀片表面，还引入了起裂及裂纹扩展的动力-张应力，对防止开裂不利。所以现场加工应取消破坏表面应力状态的打磨工艺，考虑采用化学方法去除表面氧化膜，保持表面处于压应力状态，可提高材料的抗裂能力。

3、分析及讨论

分析了国产和进口防蚀片的化学成分、组织、硬度及碳化物成分的差异，研究国产和进口防蚀片的显微组织的差异。

3.1成分分析

表1为不同防蚀片的化学成分，结果表明，国产防蚀片中Fe元素的含量较进口样品偏高。W和Mo通过稳定面心立方相，可影响材料的腐蚀行为。W、Mo、Cr元素起到固溶强化的作用。

司太立合金的塑性与合金的化学成分及显微组织相关。Cr元素可提高合金的耐腐蚀性能和耐磨性，通过形成M7C3和M23C6，提高合金的强度[10]。W和Mo不仅起固溶强化作用，还可形成MC和MC6[11]，对合金有析出强化作用。

3.2组织分析

图2为叶片上切下来，发生严重水蚀的国产司太立合金防蚀片的金相组织。从图上可以看出各区域组织均为等轴奥氏体+碳化物，晶粒内部存在大量的孪晶，碳化物在晶界上呈连续或不连续分布状态，易导致材料脆性增加。

表面区域晶粒等级为8~10级，中部区域晶粒等级6~7级，表面和内部的晶粒尺寸差别较大，产生混晶组织，会影响材料的力学性能。该组织的形成与热处理或加工时温度不均匀，材料各部分变形程度不一致，在奥氏体部分再结晶区域终止变形有关。从图3可以看出，晶粒内存在大量的形变孪晶和少量退火孪晶。晶粒内部形成具有平直界面的片状孪晶，其效果与细化晶粒类似，可以增强金属的强度。

金属材料形成孪晶需要产生堆垛层错，理论上这种层错是在变形时晶界迁移过程中形成的。当滑移受阻碍时，才在应力集中处萌生孪晶，其均匀切变是位错运动形成的。形变孪晶的内应变较大，应力循环过程中容易开裂。退火孪晶一般很难消失，可以让其充分成长吞并周围组织，退火孪晶应变较小，孪晶界强度较高，抗开裂性能好。

碳化物的硬度和脆性均比基体大得多，变形抗力大，在应力的作用下，粗大的碳化物会导致应力集中，进而产生开裂。表面区域由于机械打磨引起的张应力，使沿晶界分布碳化物导致脆性的防蚀片在集中张应力作用导致开裂。

图4为从叶片上取下，为发生水蚀的进口西屋产司太立合金的金相组织，可以看出组织均为等轴奥氏体+碳化物，进口防蚀片碳化物分布较国产样品更为均匀弥散，以晶内分布为主，晶界为辅（统计数据见图5），而不是集中分布在晶界。细小弥散分布的碳化物可钉扎位错，增加其运动阻力，有效的起到强化作用。合金片中部组织存在大量的退火孪晶，而非形变孪晶，说明样品热加工状态与国产防蚀片晶内存在大量形变孪晶不同。表面区域和中部的晶粒度等级为6~8级，分布更均匀，没出现国产样品混晶组织。

图5为国产和进口司太立合金样品中碳化物分布，国产样品中682个碳化物中，488个分布在晶界，占总数的71.6%；进口样品中碳化物有748个中，228个分布在晶界，占比30.5%，是进口样品比例的一半。碳化物分布规律的差异是司太立合金抗水蚀能力差异的原因之一。

3.3硬度分析

表2为司太立合金表面维氏硬度。结果表明，国产样品硬度最大值516HV，最小值458HV，平均值481HV。进口样品的表面维氏硬度平均值度为483HV，与国产样品的硬度相当，不存在明显差别。司太立合金的硬度与碳化物的分布和基体的均匀程度相关。国产和进口样品的硬度的稍微差别可能也与热处理状态有关。但从两种材料的硬度数据中，看不出材料的明显差别。

3.4碳化物分析

司太立合金中冷却过程中形成的，分布在晶界和晶内的碳化物，对γ-Co基体起强化作用，如果合金在高温下服役，析出M23C6型二次碳化物，细小的二次碳化物钉扎位错，对合金基体起强化作用。而二次碳化物的形貌、分布和尺寸会影响对基体的强化效果。

图6为司太立合金中碳化物的能谱分析结果，各元素组成见表3。从图中可以看出碳化物主要组成为C、Cr、Co、W和Mo，且各合金元素的含量相当，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当，无明显差别。

司太立合金中的碳化物种类与合金成分、晶体结构和物理形貌等因素有关。

4、结论

研究了国产与进口两种叶片防蚀片用司太立合金的组织、硬度及碳化物，通过对比分析，获得结论如下。

（1）国产防蚀片截面中部和内部晶粒度等级差异较大，碳化物沿晶界分布，影响材料的力学性能。

（2）与进口防蚀片相比，国产样品中存在大量形变孪晶，内应变较大，在应力循环过程中容易开裂。

（3）国产防蚀片中Fe含量稍高于进口样品，碳化物成分类似，均为MC型碳化物。

5、束

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下期再见！