核電汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子的耐蝕性一直是影響轉(zhuǎn)子運(yùn)行壽命的關(guān)鍵問題，本文針對 1000 MW 核電汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行了耐蝕層堆焊試驗，并對堆焊工藝及堆焊層的性能開展了研究。

    首先，為了實現(xiàn)母材與堆焊層良好的成分過渡，在核電轉(zhuǎn)子用 NiCrMoV 鋼試板上堆焊低合金鋼過渡層；而后逐層堆焊馬氏體不銹鋼耐蝕層，直到堆焊層成分達(dá)到馬氏體堆焊金屬的成分為止；最后進(jìn)行去應(yīng)力焊后熱處理。

    對堆焊接頭性能分析，結(jié)果表明，堆焊接頭強(qiáng)度不低于母材，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到 783 MPa，同時具有優(yōu)良的塑性和韌性。堆焊層中 Cr 元素的含量隨著堆焊層厚度的增加以指數(shù)規(guī)律升高，在 15.5 mm 時達(dá)到 11.9 %與焊絲成分相當(dāng)，表明此時的堆焊層已經(jīng)滿足耐蝕性的要求。

    研究結(jié)果進(jìn)一步表明試驗中所采用的堆焊層成分及堆焊工藝所獲得的堆焊層具有優(yōu)良的綜合性能，可應(yīng)用于核電高壓轉(zhuǎn)子的表面改性。

    1000 MW 核電汽輪機(jī)組是當(dāng)前最為先進(jìn)的核 電汽輪機(jī)組之一，已經(jīng)為陽江核電站等多個核電廠 所采用。核電高壓轉(zhuǎn)子是核電汽輪機(jī)組的核心部件， 在機(jī)組運(yùn)行期間一直處于高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)，對其性能 的要求十分嚴(yán)格。

    高壓轉(zhuǎn)子材料為 NiCrMoV 鋼， 具有優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，但在蒸汽溫度較低的工作 環(huán)境下，轉(zhuǎn)子汽封區(qū)域會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，危害轉(zhuǎn)子 的性能，進(jìn)一步影響安全性。為了滿足轉(zhuǎn)子汽封區(qū) 域表面耐腐蝕性能的要求，表面堆焊成為較好的改 性手段。馬氏體不銹鋼材料具有優(yōu)良耐蝕性能，成為堆焊材料的優(yōu)選材料。

    但是 NiCrMoV 鋼是一種低合金鋼，與馬氏體 不銹鋼相比，C、Cr 等化學(xué)元素的含量存在較大差 異，會導(dǎo)致在堆焊過程中或者在高溫運(yùn)行過程中合 金元素的擴(kuò)散及遷移 [1]，影響堆焊層與母材的結(jié)合 性能，進(jìn)而導(dǎo)致堆焊層耐蝕性的降低甚至導(dǎo)致耐蝕 層的脫落。

    故而，為了減小轉(zhuǎn)子材料與堆焊層用不銹鋼材 料的差異，本文采用在轉(zhuǎn)子母材上堆焊過渡層的措 施，使化學(xué)成分更過渡更為均勻，之后再堆焊馬氏 體不銹鋼材料，直到成分達(dá)到堆焊層材料成分為止， 最后進(jìn)行去應(yīng)力焊后熱處理。

    并對堆焊工藝及堆焊層的性能開展包括沖擊韌性，抗拉強(qiáng)度及彎曲性能等等。同時對焊接層的成分過渡，特別是Cr元素的含量與堆焊厚度的關(guān)系進(jìn)行了分析研究。此實驗的研究結(jié)構(gòu)可為獲得綜合性能良好的堆焊層提供實驗數(shù)據(jù)，為核電高壓轉(zhuǎn)子的焊接生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

    1  轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及材料

    1.1轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

    本文所研究的 1000 MW 核電汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子， 由上海汽輪廠自主制造，額定轉(zhuǎn)速為 1500 r/min， 轉(zhuǎn)子重量約 100 噸。轉(zhuǎn)子的兩端分別有一處軸頸區(qū) 域需要采用堆焊工藝，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意如圖 1 所示。

    1.2轉(zhuǎn)子材料和力學(xué)性能

    核電高壓轉(zhuǎn)子為大型鍛件，材料為 NiCrMoV鋼，堆焊前經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。其主要化學(xué)成份和力學(xué) 性能結(jié)果分別如表 1 和表 2 所示。

    2  堆焊試驗及性能分析

    為了保證堆焊接頭的力學(xué)性能，在產(chǎn)品焊接前 進(jìn)行了埋弧焊焊接試驗，確定了合適的工藝參數(shù)， 并對接頭進(jìn)行了力學(xué)性能測試和微觀組織分析。

    2.1試驗件堆焊

    堆焊用試驗件是從一根 NiCrMoV 鋼產(chǎn)品轉(zhuǎn)子 上取下的試料，加工成 350 mm×160 mm×100 mm 鋼板。堆焊方法為埋弧自動焊。耐蝕層材料選用13Cr-4Ni馬氏體不銹鋼，為了減少耐蝕層與轉(zhuǎn)子材料差異可能造成的不利影響，在母材與耐蝕層之間增加一層低合金鋼過渡層，然后進(jìn)行了多層堆焊工藝試驗，焊接完成后進(jìn)行整體進(jìn)爐去應(yīng)力熱處理。焊后熱處理完成后進(jìn)行滲透檢測和超聲波檢驗，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

    2.2  堆焊接頭宏觀組織

    堆焊接頭橫截面的宏觀組織如圖 2 所示。堆 層厚度不小于 70 mm，寬度約 160 mm。堆焊層 母材結(jié)合良好，堆焊層質(zhì)量優(yōu)良，未發(fā)現(xiàn)氣孔、 紋等任何缺陷。良好的宏觀組織也進(jìn)一步驗證了 焊工藝可靠性。

    2.3堆焊層強(qiáng)度分析

    在經(jīng)過焊后熱處理后的試驗件上，沿堆焊厚方向取拉伸試樣，試樣中心位于熔合線位置，以 試堆焊接頭的拉伸強(qiáng)度。同時沿堆焊寬度方向在 材上取拉伸試樣，以測試母材的拉伸強(qiáng)度。試樣 試驗方法符合標(biāo)準(zhǔn) GB/T228-2002《金屬材料室溫 伸試驗方法》的要求，試驗結(jié)果如表 3 所示。

    從表 3 中可以看出，經(jīng)過焊后熱處理后，轉(zhuǎn) 母材和焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度依然能夠 到轉(zhuǎn)子材料技術(shù)規(guī)范的要求。堆焊接頭試樣均斷 母材上，說明堆焊層的強(qiáng)度不低于母材。雖然兩 取向的試樣均斷在母材上，堆焊接頭的抗拉強(qiáng)度 均值為 783 MPa，稍低于母材抗拉強(qiáng)度的平均值 7 MPa。所有四根試樣的斷后伸長率均大于材料技 規(guī)范規(guī)定的 16 %。從試驗結(jié)果可以判斷出，堆焊接頭具有優(yōu)良的抗拉強(qiáng)度和塑性。

    2.4 堆焊層硬度試驗分析

    對堆焊接頭進(jìn)行了 HV10 維氏硬度分析，其硬 度的平均值如表 4 所示。母材的硬度平均值為 HV243。熱影響區(qū)的硬度最高，為 HV330。過渡層 的硬度可以達(dá)到 HV308，耐蝕層硬度為 HV303。熱 影響區(qū)的硬度明顯高于母材，是由于在焊接過程中，

    該區(qū)域被加熱到奧氏體化溫度以上，之后快速冷卻，Charpy-V形成了硬度較高的淬火組織。雖然在隨后的焊后熱 處理過程中硬度下降，但依然保持較高的數(shù)值。過 渡層的硬度與耐蝕層相當(dāng)，且高于母材。硬度測試 結(jié)果表明，過渡層和耐蝕層的強(qiáng)度均高于母材，這 解釋了前文所述的接頭拉伸試樣斷在母材上的原因。

    2.5 堆焊層化學(xué)成份

    采用光譜分析儀分析了距熔合線不同距離處堆 焊層中的合金元素含量。作為主要合金元素，Cr 元 素含量的變化趨勢如圖 3 所示。

    由圖 3 可見，隨著堆焊層厚度的增加，堆焊層中的 Cr 含量先以指數(shù)規(guī)律迅速提高，之后趨于平緩。由于本試驗所采用的埋弧自動焊是一種工藝過程十分穩(wěn)定的焊接方法，并在焊接過程中保持基本一致的工藝規(guī)范，每一層的熔合比也相近，所以 Cr元素的含量隨堆焊層數(shù)呈指數(shù)函數(shù)升高。堆焊層中 其它元素的熔合比與 Cr 元素一致的，因而隨堆焊厚 度變化的規(guī)律也類似。堆焊層厚度在 15.5 mm 時， Cr 元素的含量為 11.9 %，已經(jīng)可以滿足耐蝕性能的 要求了。

    2.5沖擊試驗

    對母體、焊接影響區(qū)、過渡層和耐蝕層進(jìn)行Charpy-V沖擊試驗，試驗尺寸和試驗方法符合GB/T 229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》的要求。實驗結(jié)果如表5所示。由實驗結(jié)果可知，熱影響區(qū)沖擊的吸收功的平均值為190J，與母材的沖擊功接近，這說明焊接過程的熱輸入量控制得當(dāng)，同時也說明所采用的焊后熱處理規(guī)范對母材是合適的。耐蝕層的沖擊吸收功可以達(dá)到83J，表明其具有優(yōu)良的沖擊韌性。結(jié)合接頭拉伸實驗結(jié)果，說明堆焊接頭同時具有良好的強(qiáng)度和韌性。

    2.5 彎曲試驗

    沿堆焊厚度方向取彎曲試樣，按照 ASME第IX卷的要求進(jìn)行了彎曲試驗。彎曲試樣中包括了母材、熱影響區(qū)和焊縫，中心位于熔合線上。試樣厚 度為 10 mm，彎曲半徑為 40 mm。彎曲試樣均通過 180°彎曲試驗，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，如圖 4 所示。彎 曲試驗結(jié)果表明焊接接頭具有良好的質(zhì)量和優(yōu)良的塑性。

    2.6 焊縫微觀組織

    圖 5 是母材、熱影響區(qū)、過渡層和耐蝕層的金相照片。母材顯微組織以回火貝氏體為主，如圖 5a 所示。5b 是焊接熱影響區(qū)的微觀組織，主要是晶粒 細(xì)小的回火馬氏體組織。這是由于在焊接熱循環(huán)過 程中，該區(qū)域經(jīng)過奧氏體化后快速冷卻，所以產(chǎn)生 了細(xì)小的馬氏體晶粒，并在隨后的焊后熱處理過程 中轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。5c 是過渡層的微觀組織，主 要為回火貝氏體。5d 是耐蝕層的微觀組織，為典型 的板條馬氏體。焊接接頭中沒有發(fā)現(xiàn)魏氏組織等過 熱組織。良好的微觀組織也保證了堆焊層及熱影響 區(qū)優(yōu)良的力學(xué)性能。

    3  轉(zhuǎn)子的堆焊

    核電高壓轉(zhuǎn)子對堆焊工藝的可靠性要求是十分 嚴(yán)格的，在最終檢驗時一旦發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，必須將 缺陷完全去除，或是將缺陷區(qū)域整圈車除后重新堆 焊，并重新進(jìn)行焊后熱處理。所以實際生產(chǎn)過程中 采用了專用的埋弧自動焊設(shè)備進(jìn)行堆焊，在獲得優(yōu) 良的接頭質(zhì)量的同時也有效提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn) 效率，同時減小了工作強(qiáng)度。

    焊前使用專用加熱工裝局部預(yù)熱轉(zhuǎn)子，保溫足 夠長的時間以使得焊接區(qū)域的溫度趨于均勻。焊前 仔細(xì)地清理了焊接區(qū)域，焊接過程中嚴(yán)格控制焊接 電流、電壓、焊接速度、層間溫度等參數(shù)。生產(chǎn)實踐表明，采用本埋弧焊設(shè)備及工藝，焊接過程穩(wěn)定 可靠，從未因焊接過程原因造成缺陷。轉(zhuǎn)子一端完 成堆焊后立即進(jìn)行焊后熱處理，待熱處理完成后再 開始堆焊另一端。焊后熱處理采用專用工裝，局部 進(jìn)行焊后熱處理，以減少對轉(zhuǎn)子本體性能的影響， 同時也可以提高生產(chǎn)效率。

    轉(zhuǎn)子兩端均堆焊并熱處理完成后，將堆焊層表 面光出，進(jìn)行超聲波檢驗，采用直探頭、斜探頭和 雙晶探頭全面掃查堆焊區(qū)域。在堆焊層外圓達(dá)到精 加工尺寸后進(jìn)行滲透檢驗，合格后進(jìn)入汽封槽加工 道序。采用本文所述的工藝方法，已經(jīng)成功堆焊生 產(chǎn)了多根核電高壓轉(zhuǎn)子，部分轉(zhuǎn)子已經(jīng)投入運(yùn)行。

    結(jié) 論

    （1）在 NiCrMoV 轉(zhuǎn)子鋼上采用增加過渡層的 措施后再堆焊馬氏體耐蝕層，接頭強(qiáng)度不低于母材， 抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到 780 MPa，同時具有良好的塑性 和韌性。

    （2）耐蝕層中 Cr 元素的含量隨堆焊層厚度的 增加以指數(shù)規(guī)律升高，在 15.5 mm 之后達(dá)到 11.9 %， 滿足了堆焊層耐蝕性能的要求。

    （3）采用本文所述堆焊工藝可以獲得優(yōu)良的焊 接質(zhì)量，已經(jīng)成功應(yīng)用于多根核電高壓轉(zhuǎn)子的堆焊 生產(chǎn)。

    參考文獻(xiàn)

    [1]鄭陽， 沈士明。 Cr-Mo 焊接接頭中碳遷移現(xiàn)象研究的現(xiàn)狀和進(jìn) 展[J]. 新技術(shù)新工藝， 2002（1），31: 55-56.