汽轮机末级叶片司太立合金片纵向裂纹分析 - 图文

2017年度申报专业技术职务任职资格 评审答辩论文

题 目：汽轮机末级叶片司太立合金片

纵向裂纹分析

作者姓名： 苗学良 单 位： 中核运行公司人力资源处 申报职称： 高级工程师

专 业： 材料物理与化学

二○一七年 6 月 1 日

答辩论文

导师推荐意见：

(以下导师推荐意见，可手写或打印，段落部分采用宋体四号字，1.25倍行距，段前0.5行，段后0.5行。若未选择导师，此页不填。)

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答辩论文

目 录

摘 要 ................................................. 1 1 概述 ................................................ 1 2 生产现场调查 ....................................... 3 2.1 除去氧化皮及打磨减薄端部 ........................ 3 2.2 扭转矫形 ........................................ 4 2.3 添加钎料、钎剂、固定 ............................ 4 2.4 感应加热、焊合 .................................. 5 2.5 装配 ............................................ 6 3 残余应力测试 ........................................ 6 3.1 测试过程 ........................................ 6 3.2 测试结果 ........................................ 7 4 裂纹截面观察 ....................................... 7 4.1 一号样实验过程及结果 ............................ 7 4.2 二号样实验过程及结果 ............................ 9 5 纳米压痕测试 ....................................... 11 6 断口、能谱分析 ..................................... 12 6.1 一号样 ......................................... 13 6.2 二号样 ......................................... 17 7 讨论 ............................................. 21 7.1 现场加工 ....................................... 21 7.2 残余应力测试 ................................... 22 7.3 裂纹界面观察 ................................... 22 7.4 纳米压痕测试 ................................... 23 7.5 断口及能谱分析 ................................. 23 8 结论 ............................................... 25 9 建议 ............................................... 25

汽轮机末级叶片司太立合金片纵向裂纹分析

苗学良

（中核核电运行管理有限公司 人力资源处 浙江省 嘉兴市）

摘要： 秦山核电二期2#汽轮机由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司(以下简称哈汽厂)制造。生产厂家在叶片进气口侧焊合了一片司太立合金片，但是该机组末三级叶片在大修期间多次发现司太立合金片部位存在缺陷。本论文针对2#机组末级叶片司太立合金片上的纵向裂纹进行研究，采用生产现场调查，实验验证等方法对缺陷进行了分析。结果表明，末级叶片司太立合金片纵向裂纹是在钎焊过程中产生的，应力来源有三个方面：司太立合金片矫形、边缘打磨减薄、钎焊过程产生应力。失效叶片开裂的主要贡献来源于边缘打磨减薄以及台阶状样貌所致应力集中、焊接过程产生的附加应力。 关键字：汽轮机；末级叶片；裂纹；钎焊；应力

Analysis of Longitudinal Cracks in Steam Turbine Last

Stage Blade

Xueliang MIAO

（CNNO Department of Human Resource Jiaxing Zhejiang）

Abstract: Steam Turbine Last Stage Blades of Qinshan II-2 are made by Harbin Turbine Company Limited(HTC.). As the working environment of the blades is high temperature and high pressure water vapor environment, especially the inlet side blades, the manufacturer welds a stellite protection strip here to protect the blades inlet side from corrosion. Although it can solve the corrosion of the blades, but he last blades in the unit always found defects in overhaul in the stellite alloy position. In this paper, the longitudinal crack on the stellite-alloy strip is studied, and the defects are analyzed by means of production site investigation, theoretical derivation and experimental verification. The results show that the longitudinal crack is the result of the brazing process, and there are three aspects of the stress source: the orthopedics of the stellite alloy strip, the edge polished and the stress produced in brazing process.The main contributions of the failure blade cracking come from the edge polished thinning as well as the stress concentration caused by step morphology, the subsidiary stress generated in welding process.

Keywords: Steam Turbine; Last Stage Blade; Crack; Hard solder; Stress

1 概述

汽轮机内饱和蒸汽膨胀做功，穿过饱和线后，会有水滴凝结析出

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使水蒸气湿度增加。汽轮机末级叶片会发生水滴侵蚀，由液滴或连续水流高速冲击到固体材料表面使其破坏称为液滴冲蚀，发生在汽轮机末级叶片上的水滴冲蚀，简称水蚀。汽轮机末级叶片水蚀所形成的锯齿状毛刺会造成应力集中和减小叶型根部截面的面积，影响叶片的振动特性，极大地降低了叶片的强度，使叶栅的气动性能恶化，级效率下降，严重时会引起叶片的断裂破坏而导致机组发生强烈振动等恶性事故[1]。叶片的严重水蚀不但会引起叶片的断裂破坏, 导致机组发生强烈振动等恶性事故, 而且可使机组的级效率大幅下降。按照西屋公司的资料,该公司生产的393台汽轮机发生过叶片腐蚀断裂事故；据德国所做的统计, 在35起低压缸叶片损伤事故中有 13 起主要是由于水蚀引起的发生水蚀[1] [2]。发生水蚀最严重的地方是叶片的进气口侧，因为此处的运行环境最为恶劣，为了保护叶片进气口侧免受腐蚀，生产厂家在此处焊合了一片司太立合金片。司太立合金（Stellite）在上世纪初1900年为美国人Elwood所发明，这种以钴铬钨为主要元素的合金冷却后是银白色，熠熠闪光，恰似星星。在拉丁语里星星为Stella，故名为Stellite，我国将其译为司太立，定义为钴铬钨合金。这是一种能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金，以钴作为主要成分，含有相当数量的镍、铬、钨和少量的钼、铌、钽、钛、镧等合金元素[3]。正是由于这些良好性能，所以在末级叶片钎焊司太立合金片能有效的减少叶片的水蚀问题[4]。

秦山核电二期2#汽轮机由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司(以下简称哈汽厂)制造。在秦二厂212小修中低压转子末级叶片PT检查发现有裂纹,如图1所示。为研究裂纹产生原因，有必要有针对性的对其中的缺陷进行科学分析。本论文采用生产现场调查、假设推论、实验验证等方法对2号机组末级叶片司太立合金片上的纵向裂纹进行

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了研究。

图1、末级叶片司太立合金片纵向裂纹

2 生产现场调查

为了解司太立合金片的加工工艺对司太立合金片开裂影响的可能性，2016年1月5日，到哈尔滨汽轮机厂进行了实地考察，通过现场跟踪技术人员的加工过程，与现场工作人员交流，现场加工情况调查，记录了从扭转矫形到最终焊合全过程。为了将司太立合金片紧密、牢固地焊合在汽轮机叶片上，需要进行以下操作步骤： 2.1 除去氧化皮及打磨减薄端部

用角磨机对司太立合金片的内侧进行打磨以除去其表面氧化膜（模拟如图2-1），并在端部内侧进行打磨减薄（模拟如图2-2）以贴合叶片（实际操作如图2-3），图2-4、图2-5分别是角磨机对司太立合金片进行端部减薄及去除氧化皮操作之后的效果。

图2-1除氧化膜的模拟 图2-2端部打磨减薄模拟

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图2-3 端部打磨减薄 图2-4 端部打磨减薄效果

图2-5 角磨机去除氧化皮效果

2.2 扭转矫形

因为司太立合金片轮廓与形状和汽轮机叶片上的合金片凹槽不能完全匹配，所以需要人工将合金片扭转矫形、反复冷弯、多次试触、反复配合（模拟如图2-6、图2-7所示），最终达到使合金片与叶片凹槽匹配良好的目的，进而才能焊合完好。

图2-6 合金片扭转矫形 图2-7 合金片试触叶片以校准 2.3 添加钎料、钎剂、固定

采用钎焊方式对司太立合金片与叶片进行焊接，在司太立合金片

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及叶片凹槽上添加钎料和钎剂（模拟如图2-8、2-9）。然后将加热用的感应线圈放入，用夹具、压力棒（4—5个压脚）将合金片、叶片、感应线圈三者固定。压脚位置是沿着合金片均匀分布的，对合金片产生垂直压力，如图2-10。

图2-8 添加钎料、钎剂 图2-9 凹槽上添加钎料、钎剂

图2-10 压力棒固定合金片、叶片和高频线圈

2.4 感应加热、焊合

感应钎焊是指利用高频、中频或高频感应电流作为热源的焊接方法。准备工作完成后，给感应线圈通电，利用感应线圈产生的热能对焊料进行加热，使其逐渐融化（如图2-11）。高频焊的频率为300-350KHz，加热温度为640-670℃，当工人观测到钎料表面融化后，断电、停止加热，待温度降至600℃以下，移除感应加热线圈，让其放置在空气中自然冷却（如图2-12）。

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a模拟图 b实际加工场景 图2-11 加压力棒后进行感应钎焊

2.5 装配

最后，将加工好的叶片逐个安装在汽轮机转子上，如图2-13。

图2-12 合金片与叶片焊合完成 图2-13 叶片完成安装

3 残余应力测试

司太立合金片在扭转、配合过程中可能会存在残余应力，在服役过程中残余应力会与叶片旋转过程中产生的应力相互作用。为验证这种推测，测试加工前后合金片打磨减薄部位的应力分布状态。测量仪器为LXRD残余应力大功率分析仪。 3.1 测试过程

（1）取一条司太立合金片备件，对三个代表性的位置进行初测； （2）用角磨机对该合金片进行打磨、端部减薄之后对相同位置进行测试，比较打磨前后的应力变化。

选取三个具有代表性的位置，分别命名为A、B、C点，其中A、

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C两点是司太立合金片外侧，此处在角磨机加工过程中未触及到；B点是合金片内侧与叶片贴合位置，即经过角磨机打磨的区域，如图3-1所示。在可能出现的裂纹的垂直方向测试，如图3-2所示。分别在角磨机打磨前后对这三个点进行残余应力测试。可见经过打磨的B区域应力变化明显。

图3-1 司太立合金片上残余应力测试部位及方向

3.2 测试结果

表3-1 应力测试结果汇总

应力值（Mpa） A区域 处理前 处理后 -479.74 -438.97 B区域 -489.85 +473.98 C区域 -494.32 -494.00 4 裂纹截面观察

4.1 一号样实验过程及结果

将第一个叶片带裂纹部分通过线切割方式切下一块10x10mm的试样，称为一号样，对其进行研究，过程如图4-1所示。

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图4-1 一号样的切割与镶样过程

然后通过砂纸打磨、抛光后，用显微镜下观察裂纹区域，得到如图4-2所示图样。

图4-2 一号样横截面抛光后的光镜照片

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图4-3 一号样裂纹两侧合金片存在厚度差异

4.2 二号样实验过程及结果

二号样的切割与一号样相同，但是在司太立合金片零点退刀槽处存在一些深色物质，该物质的种类、性质待研究，如图4-4所示。

a 切割

b 镶样

图4-4 二号样的切割与镶样过程

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先进行砂纸轻微打磨，然后用光镜观察裂纹区域，得到如图4-5所示图样。

图4-5 二号样横截面轻微打磨后的光镜照片

图中红线标出区域为同种物质，为方便研究，将其分为“外侧”、“裂纹”、“内侧”三个部分。“裂纹”就指裂纹位置，“外侧”是指司太立合金片外表面，“内侧”指的是司太立合金片内侧，该处为焊缝，所以此处物质为焊料。因为在光学显微镜下这三个区域呈现相同的样貌，故疑为同种物质，即焊料，为验证这种猜测，进行进一步分析。 再进行抛光，光镜观察，得到如图4-6所示照片：

图4-6 二号样横截面抛光后的光镜照片

此时，镶样样品横截面方向又磨去了约0.5mm，发现裂纹内部的“填充物”不再充满整个裂纹，开始出现了空隙。再进行浸蚀，进行光镜观察，如图4-7。

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图4-7 二号横截面浸蚀后 图4-8 二号样台阶状样貌

5 纳米压痕测试

对未浸蚀的试样在如图5-1所示位置进行纳米压痕测试，得到如表5-1所示数据，对数据绘图，得到图5-2硬度曲线和图5-3弹性模量柱状图。

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图5-1 纳米压痕测试位置 表5-1 纳米压痕测得数据

位置 司太立合金片 弹性模项目 量(GPa) 平均值 237.48 方差 硬度8300焊缝 弹性模量(GPa) 103.78 8.08 硬度 (GPa) 2.47 0.03 叶片 弹性模量(GPa) 200.45 26.33 硬度 (GPa) 4.41 0.07 硬度 (GPa) 7.05 0.22 37.99 弹性模量2506弹性模量 (GPa)合金片焊缝叶片硬度 (GPa)20041501002合金片焊缝叶片位置位置

图5-2 硬度柱状图 图5-3弹性模量柱状图

6 断口、能谱分析

在各种断裂失效分析手段中，断口分析是最主要的工具。本工作

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为了获取足够的信息与证据，将两个裂纹都打开，分别进行研究。 6.1 一号样

6.1.1 一号样实验过程

将带裂纹的切样沿着裂纹打开，用肉眼观察断口可发现，断口上分布有一些金黄色物质，且靠近焊缝一侧断口颜色较浅，靠近合金片表面一侧颜色较深，示意图如图6-1。裂纹打开位置如图6-2，裂纹打开后再使用扫描式电子显微镜对其断口进行观察（图6-3）。

图6-1 裂纹打开后示意图 图6-2 一号样裂纹打开位置

图6-3 电子显微镜外观图 图6-4原有裂纹区与折断区位置

扫描式电子显微镜不需要很薄的样品；图像有很强的立体感；能利用电子束与物质相互作用而产生的次级电子、吸收电子和X射线等信息分析物质成分。

图6-2、图6-4中的“原有裂纹区”是指在打开裂纹之前试样本来的裂纹，也就是在打开试样前的裂纹；“折断部分”指的是在打开

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裂纹的过程中，顺着“折断区”方向进一步发生的裂纹。扫描电镜观察裂纹断口形貌并对断口进行能谱扫描。现对原有裂纹区各典型部分，即端部与中部分别进行断口与能谱分析。

6.1.2 一号样原有裂纹区端部实验结果及讨论

一号样原有裂纹区的“端部”断口形貌、能谱分析、面扫分析结果分别如图6-5、6-6、6-7所示。

图6-5 一号样原有裂纹区端部断口形貌

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图6-6 一号样原有裂纹区端部断口能谱分析

图6-7 一号样原有裂纹区端部断口面扫分析

6.1.3 一号样原有裂纹区中部实验结果

一号样原有裂纹区的“中部”断口形貌、能谱分析、面扫分析结

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果分别如图6-8、6-9、6-10所示。

图6-8 一号样原有裂纹区中部断口形貌

图6-9 一号样原有裂纹区中部能谱分析

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图6-10 一号样原有裂纹区中部面扫分析 6.1.4 一号样折断区实验结果

一号样折断区断口形貌如图6-11所示。

图6-11 一号样折断区断口形貌

6.2 二号样

6.2.1 实验过程

用相同的方法对二号样进行切割，然后打开裂纹（如图6-12所示），进行研究。

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图6-12 二号样的裂纹打开与裂纹分布

此时用肉眼就可以看出原有裂纹区部分的颜色与折断区部分有很大的区别：原有裂纹区表面呈现金黄色，这一号样的观察结果一致；折断区部分呈现灰色，这与后面备件折断样即过载折断后断口颜色一致，示意图如图6-13所示。

图6-13 二号样裂纹区与折断区图 6-14 二号样裂纹区断口形貌

为确认原有裂纹区和折断区的裂纹表面物质，重复对一号样的研究。

6.2.2二号样原有裂纹区实验结果

二号样原有裂纹区的断口形貌、能谱分析、面扫分析结果分别如图6-14、6-15、6-16所示。

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图6-15 二号样原有裂纹区能谱分析

图6-16 二号样原有裂纹区面扫分析

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图6-17 二号样去除覆盖焊料后电镜观察图片 6.2.3二号样折断区实验结果

图6-18 二号样折断区断口形貌 图6-19 备件折断样观察位置 由二号样折断区断口形貌（图6-18）可知，此处也极少有焊料覆盖，断口形貌较清晰，主要为解理断口。

6.2.4备件折断样实验结果

为了与应力过载的断裂情况进行对比，将一合金片备件折断（即过载情形）（如图6-19），先用肉眼观察发现，断口的全部区域均是同种颜色，即较深的灰色。备件折断样裂纹的断口形貌、能谱分析结果分别如图6-20、6-21所示。

图6-20 备件折断样断口分析

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Selected Area 1

EDS Spot 1 Selected Area 2

图6-21 备件折断样断口能谱分析

7 讨论

7.1 现场加工

由现场调查可知（图2-3、图2-4），

1) 操作人员在加工过程中双手未戴工作手套，皮肤直接与合金片接触，可能会因此在合金片上造成污染。经过打磨之后的司太立合金片内侧，发现有少量氧化物及加工时沾染的其他杂质的存在（如图2-5），这些杂质对焊接过程中钎料的润湿与扩展都是不利因素，对焊接过程有不利影响。

2) 人工扭转合金片过程容易导致应力的产生。

3) 在对司太立合金片的表面进行打磨以及端部减薄处理时，仅仅依靠工人的经验，没有一套严格的规范和检测方法，打磨是否均匀无法保证，因此我们推断经过打磨处理的部位——尤其是经过端部减薄的部位改变了残余应力。

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4) 在钎焊之前的压合过程中，没有严格的压力监控仪器，仅仅依靠人工操作、经验判断。感应线圈的调整、与合金片的距离也都是靠目测，这些情况都会导致加工精度难以控制，有可能未达到设计要求。

综上，加工时的污染物进入可能对产品质量有影响，端部打磨不均匀可能会导致后面合金片发生应力集中，同时现场没有严格的压力监控仪器，加工精度难以控制，也会导致应力的产生。 7.2 残余应力测试

由表3-1应力测试结果汇总可以明显看到，合金片上未经角磨机打磨的A、C区域应力变化很小，这两个区域打磨前后几乎没有发生变化；而经过角磨机打磨的B区域的应力有了明显变化，从原先的负值变成了正值，即压应力转化成了拉应力，而且该拉应力方向是垂直于司太立合金片纵向的，由此推断，该处拉应力是造成合金片开裂的重要原因。同时，可以看出角磨机打磨对合金片应力的影响很明显。 7.3 裂纹界面观察

1号样裂纹出现的位置在合金片最薄的地方（厚度约为200μm），而且恰恰是出现“台阶”（图4-3）的位置，即裂纹左右两侧合金片厚度发生了变化，变化梯度约为30μm，变化率约为13%。未发生开裂前“台阶”位置有应力集中出现。结合叶片加工过程分析推断，“台阶”是角磨机对合金片进行端部减薄的过程中产生的，由于是人工操作，所以无法保证微米级别的尺寸精度，加工后留下的残余应力和服役时产生的应力在此处发生应力叠加，是司太立合金片开裂的主要应力来源。

由2号样各部分的金相图（图4-5）可知，合金片外侧、裂纹内部填充物以及合金片内侧焊料的形貌完全一致，即这三部分物质为同

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一物质，均为焊料，这说明焊料在凝固之前就已经通过裂纹溢出到了合金片外表面，并且打开裂纹之后原始裂纹部分充满了金黄色的焊料也印证了这一点。由此推断，二号样的裂纹在焊接完成之前就已经形成，因为只有焊料在液态时才能流入裂纹、进而溢出到合金片表面。如果裂纹是焊料已经凝固——即焊接过程已经结束之后形成的，那么裂纹中间是不可能出现焊料的。

二号样裂纹两侧司太立合金片厚度如图4-8所示，明显看出，裂纹两侧合金片厚度也发生了变化，变化率约为19%，结合现场调查时工人手工打磨司太立合金片而没有检测工具进行检测，步证实了一号样研究过程中“合金片台阶状处存在应力集是中导致开裂的主要原因”的推断。 7.4 纳米压痕测试

由表5-1可知，司太立合金片、叶片、焊缝三者按照弹性模量的值从大到小排列为合金片>叶片>焊缝，且有较大的差异，尤其是作为“粘接剂”的焊缝，比起外部的合金片和内部的叶片，其弹性模量只有一半。在汽轮机运行过程中，三者由于是紧密贴合的，所以会有相同的变形——从微观角度讲就是应变。根据应力、应变以及弹性模量三者之间的关系 ，即应变等于应力与弹性模量之商，司太立合金片、焊缝、叶片三者的应变相同，但各自的弹性模量不同，则其所承受的应力必然不同，具体来讲就是：按照弹性模量的大小排列，应力大小呈现相同的排布——即合金片>叶片>焊缝。可以得出合金片位置所受的应力最大，司太立合金片自身不以韧性见长，在受到较大应力时倾向于发生变形，因此会更容易出现裂纹。 7.5 断口及能谱分析

7.5.1 1号样

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由图6-5断口形貌表明，一号样原有裂纹区端部裂纹表面覆盖有一层物质，结合能谱与面扫结果（图6-7），对原有裂纹区“端部”区域进行分析可知，该处除司太立合金本身含有的Co、Cr、W元素之外，还分布有大量的Ag、Cu、Zn元素。综合焊料成分、试样横截面组织分析结论等可知，这些Ag、Cu、Zn元素来自于焊料，这表明，焊料在裂纹表面出现了堆积，进而可知，裂纹在焊接过程结束之前就已经形成，因为只有液态的焊料才可以大量进入裂纹内部，甚至在凝固之后形成肉眼可见的金黄色焊料聚集区。

将一号样原有裂纹区中部断口及元素分布结果（图6-8、图6-10）与一号样“端部”结果（图6-5,图6-7）对比发现，两区域的断口形貌、元素分布基本一致，认定为同种断裂模式，即焊料在裂纹表面出现了堆积，裂纹在焊接过程结束之前就已经形成，液态的焊料大量进入了裂纹内部，在凝固之后形成肉眼可见的金黄色焊料聚集区。

由一号样折断区断口形貌图6-11可知，断口形貌较清晰，韧窝断口与解理断口共存，说明这是韧性断裂与脆性断裂混合的断裂形式，为沿晶断裂，原因为此处没有焊料覆盖。

7.5.2 2号样

将2号样能谱扫描实验结果（图6-16）与一号样能谱扫描实验结果（6-10）对比后发现，二号样与一号样的原有裂纹区有着相似的元素分布，由此印证了一号样裂纹表面分布着焊料的的结论，说明这不是个例。

7.5.3 综合讨论

综上，可以得知，正是因为一、二号样为裂纹试样，凝固在端口表面的大量含有Ag、Cu、Zn元素（图6-21）的焊料遮盖了断口，从而导致其原有裂纹区部位中是很难观察到形貌清晰的断口，而折断区

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由于没有焊料覆盖，因此断口形貌清晰。这也再次印证了裂纹界面观察所得到的结果。

8 结论

（1）末级叶片司太立合金片纵向裂纹在焊接完成之前就已经形成，即：裂纹在工厂现场钎焊过程中形核；

（2）角磨机打磨不均匀是导致合金片应力集中和裂纹开裂的主要原因；

（3）现场司太立合金片矫形中不规范导致合金片有残余应力，加上生产过程中的污染、焊接过程产生的附加应力、开始服役之后运行过程中的应力的综合作用，已存在的微裂纹进一步向外扩展，最终形成现场检出的裂纹的规模；

9 建议

（1）建立一套规范的司太立合金片边缘打磨、矫形、匹配程序，采用仪器准确测量加工过程的精度，尤其是打磨后端部厚度、表面应力状态和粗糙度要给出约束；

（2）焊接后要进行认真检查探伤，因液态焊料渗出可能会掩盖裂纹，所以应进行表面抛光后探伤。

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参考文献

[1]刘强. 汽轮机低压缸末级叶片水蚀机理分析及司太立合金片更换研究 [D]; 上海交通大学, 2007.

[2]郭玉双，夏永军，对汽轮机末级叶片实施防水蚀保护的实践体会，发电设备，2004（3）， P149-P151

[3]刘玉珍, 桂业炜. 司太立合金的性能及应用(I) [J]. 机械工程材料, 1992, 05): 1-6. [4]陈啸, 赵龙飞, 王碧童. 2Cr13末级叶片钎焊司太立合金片钎焊合理性 [J]. 黑龙江冶金, 2014, 04): P15

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