冀潤景

（中國電能成套設備有限公司，北京 100080）

我國作為全球核電建設規(guī)模最大的國家，面臨大量發(fā)電設備需要國產(chǎn)化的情況。在國產(chǎn)化試制階段，受技術(shù)引進方的限制及片面追求進度的影響，一些交付的設備存在一定程度的質(zhì)量問題，這對整個工程的工期、質(zhì)量造成影響。

作為汽輪機設備中的重要承載部件，軸瓦的制造質(zhì)量直接關系到汽輪機的穩(wěn)定運行。而在軸瓦制造中，巴氏合金澆注質(zhì)量、合金與瓦體的結(jié)合質(zhì)量都是衡量軸瓦質(zhì)量水平的主要指標，特別是對大規(guī)格、結(jié)合力要求高的百萬核電軸瓦而言，更是如此。本文針對首批百萬核電汽輪機軸瓦制造中存在的質(zhì)量問題，通過對巴氏合金澆注過程的各個環(huán)節(jié)進行分析，提出建議措施。

1 軸瓦制造中的質(zhì)量問題

1.1 軸瓦的技術(shù)特點和制造要求

本機組汽輪機轉(zhuǎn)子（一高三低）為雙軸承支撐，全部8 副汽輪機軸瓦均為單油楔球面軸瓦。其中，2 副高壓軸瓦規(guī)格分別為Φ510mm、Φ560 mm，6副低壓軸瓦規(guī)格均為Φ785mm。軸瓦澆注巴氏合金，牌號為WL－2。合金層與軸瓦體結(jié)合強度要求為80N／mm2，明顯高于一般軸瓦。

表1 WL－2合金的化學成分要求

澆注完成、冷卻后，對合金表面分三次加工至最終尺寸，其中對上半瓦要進行偏心加工，每次加工后，都要對合金表面和端部、中分面結(jié)合部位進行超聲波探傷和滲透探傷檢查。

1.2 軸瓦制造中的主要質(zhì)量問題

軸瓦承制廠家依據(jù)自主制定的工藝，在技術(shù)引進方有限的指導下進行試制，通過鑒定，給出了合格的結(jié)論。盡管首件試制成功，但通過全面的探傷檢查，廠家實際生產(chǎn)的軸瓦暴露出大量問題，主要有：（1）上瓦偏心加工車去一定厚度合金后，頂部出現(xiàn)“裸露本體”的情況，該處合金和瓦體結(jié)合線上出現(xiàn)大量滲透探傷線性顯示；（2）中分面和端面合金與瓦體結(jié)合部位滲透探傷線性顯示；（3）合金表面大量超標的超聲波探傷面積顯示（主要是結(jié)合不良）；（4）合金表面大量超標的滲透探傷圓形顯示（主要是氣孔）。以上問題如圖1所示。

圖1 軸瓦主要探傷缺陷

2 合金澆注過程剖析及探傷缺陷原因分析

合金澆注屬于特殊過程，澆注工藝的合理性、工藝執(zhí)行情況等對最終合金和瓦體的結(jié)合質(zhì)量有著重大影響，而軸瓦的探傷缺陷恰恰顯示出大量結(jié)合不良情況的存在。經(jīng)驗表明，結(jié)合不良的原因一般歸結(jié)為工藝不合理或不能嚴格執(zhí)行工藝。因此要解決軸瓦的質(zhì)量問題，需從工藝著手剖析，分析工藝中存在的不合理情況以及工藝執(zhí)行不到位的情況，以尋求解決問題的措施。澆注過程主要包括瓦體準備、掛錫、工裝預熱、合金熔煉、合金澆注及冷卻等。

2.1 瓦體準備環(huán)節(jié)

瓦體材料為鑄鋼件，入廠后需進行120小時、650℃的脫氫熱處理。之后在待澆注面加工出燕尾槽。在機加工完成規(guī)定時間內(nèi)，進行掛錫和合金澆注。瓦體的準備階段對后續(xù)掛錫質(zhì)量、結(jié)合力有一定的影響，該階段容易出現(xiàn)的問題有：

1）脫氫前粗加工留量較大，致使脫氫后加工量大，瓦體殘余應力大，易變形［1］；同時，實際生產(chǎn)中存在精加工階段消缺補焊情況，而此時因結(jié)構(gòu)原因已不能回火，影響脫氫效果。有其他廠家采用鍛件瓦體，加工時基本不需挖補，相應的脫氫時間也短，并能保證脫氫質(zhì)量。

2）掛錫前的瓦體表面處理不干凈，使掛錫不均勻、不全面；另外，掛錫前表面粗糙度不能達標，使掛錫層變厚，影響掛錫質(zhì)量。實踐證明［2］，粗糙度越大，錫層厚度越大。

3）因生產(chǎn)安排，不能在機加工完成規(guī)定時間內(nèi)及時進行澆注，使表面形成氧化膜，這將影響錫與瓦體之間的結(jié)合力。因此若不能及時澆注，可采用先掛錫保護的方法，這樣即使錫面出現(xiàn)氧化，也可通過顏色觀察并處理。

2.2 掛錫環(huán)節(jié)

掛錫的作用是在瓦體和合金之間形成過渡層（FeSn－FeSn2）［3］，以增強結(jié)合力。掛錫質(zhì)量是影響澆注質(zhì)量的關鍵因素，存在的主要問題包括：

1）工藝中給出的錫液溫度范圍過大，不易操作。工藝要求熱浸方法掛錫，錫液溫度控制在260～300℃。而錫的熔點為232℃，錫液溫度若太低，高出熔點不多，流動性就不好。若太高，則易使掛錫表面氧化，且溫差大會造成熱應力大，形成不良的過渡層。不同的文獻［2，4］中給出的錫液溫度有所不同，應根據(jù)實際情況，優(yōu)化工藝中的錫液溫度范圍。

2）工藝未給出對掛錫層厚度的控制措施。錫層雖有利于結(jié)合，但硬而脆，應盡量薄。過厚的掛錫層易氧化，結(jié)合力降低。一些工廠利用錫液流動性好的特點，采取垂直抖動方式，使錫層盡量薄。實踐證明錫層厚度隨粗糙度的改善和抖動次數(shù)增加而減薄。

3）工藝中未規(guī)定掛錫前預熱瓦體。瓦體若不預熱，因溫差大造成熱應力大，會形成不良的過渡層。但溫度不宜過高，否則瓦體表面會氧化。具體預熱溫度應根據(jù)經(jīng)驗制定，有的文獻給出溫度為270～300℃［3］。實踐也證明，廠家往往忽視掛錫前的預熱。

4）未嚴格執(zhí)行掛錫時間，導致掛錫不完全。

2.3 工裝預熱環(huán)節(jié)

澆注中工裝的溫度，會局部影響澆注質(zhì)量，溫度過高會使合金局部過熱，不利于結(jié)晶；過低則過早結(jié)晶使隨后的結(jié)晶過程不均勻。嚴重時使局部產(chǎn)生熱裂傾向。因此對工裝進行合適的預熱非常必要，而實際澆注時，往往存在不能按工藝嚴格執(zhí)行，忽視預熱要求的情況。

2.4 合金熔煉環(huán)節(jié)

經(jīng)調(diào)查分析，合金熔煉過程存在的問題有：

1）不能嚴格控制舊料的用量。往往受成本影響，回爐舊料的數(shù)量超過工藝要求。回爐舊料中的雜質(zhì)可能對合金金相組織、硬度、夾雜物有一定影響，但不會直接造成脫胎。

2）熔煉、澆注溫度（390～420℃）的范圍不合理。巴氏合金液體冷卻中，首先結(jié)晶析出針狀ε相（Cu6Sn5），隨后降溫過程中方形結(jié)晶β′相（SnSb），β′相易偏析，先形成的ε相呈骨架狀分布在液相中，防止β′上浮形成偏析。如果合金液體溫度過低，則流動性差，澆注時易產(chǎn)生冷隔、氣孔及砂眼缺陷；若過高，則會增加熔化過程中合金燒毀的可能性，并使合金組織粗大，影響力學性能。錫基合金的ε相結(jié)晶溫度為370℃［5］，一般澆注溫度應高于初始結(jié)晶溫度50～100℃。因此可在工藝規(guī)定范圍內(nèi)，使?jié)沧囟冉咏?20℃。

2.5 合金澆注及冷卻環(huán)節(jié)

盡管經(jīng)驗表明，相對靜態(tài)澆注、離心澆注能消除合金中的氣孔、夾渣缺陷，得到更精細的組織［7］，但因ε相比重大，受離心力作用會在結(jié)合部位聚集，產(chǎn)生較大偏析。曾有國內(nèi)百萬火電機組離心澆注軸瓦運行不滿2年就發(fā)生合金層剝落的問題［8］，原因是結(jié)合部位ε相比重過多，使合金變硬，韌性不足，在交變和沖擊載荷下碎裂和剝落。本軸瓦結(jié)合力要求80N／mm2，遠高于同類項目機組50～60N／mm2的要求，因此，只能采用靜態(tài)澆注。該環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題有：

1）澆注方法不合理。采用直立連續(xù)澆注方法，合金層從液態(tài)冷卻至固態(tài)時是作為一個整體，由于軸承合金WL－2（α＝19.32×10－6）與瓦體ZG225－450（α＝12.9×10－6）線膨脹系數(shù)相差大，在合金從固相線以下冷卻到常溫過程中，兩種金屬的收縮變形量不同，產(chǎn)生一定的內(nèi)應力，可能導致結(jié)合不良。其次，結(jié)晶過程中ε相（Cu6Sn5）因比重大出現(xiàn)偏析，實踐中曾出現(xiàn)過在下部取樣進行化學分析時，銅含量明顯過高。另外，澆注時下部首先凝固，上部液體因澆注空間面積大而且寬度窄，補縮距離長而來不及補縮，易造成縮孔和疏松。實踐表明［6］，采取間歇澆注的方法，能一定程度上解決或緩解上述問題。同時，還有廠家嘗試底注方法，在解決補縮問題的同時，也能避免從頂部澆入時氣泡不易排出的情況，改善澆注質(zhì)量。

2）冷卻方式不能起到效果。合理地控制各部位溫度，是結(jié)合力達到要求的關鍵。通過對比試驗，合理的溫度如圖2所示：瓦面中下部A 最低，由此向瓦面放散性升高，兩邊高于中部、上部高于下部，模具內(nèi)表面溫度應顯著高于瓦面溫度，一般應控制在250～290℃，這樣可增大合金擠向瓦面的凝縮力，加強結(jié)合力。

圖2 冷卻時合理的溫度分布

而在實際澆注時按傳統(tǒng)離心澆注方式用水槍噴水，無法控制溫度分布。某工廠針對此情況，設計出一種半環(huán)形空心鋼制水管，澆注時水管圍繞瓦體背部布置，水管面向瓦背設置很多噴水孔，水由水管兩頭以一定的壓力進入，從噴水孔中噴出進行冷卻。而且，還可通過提升水管，達到不同高度的冷卻，此工裝一定程度上解決了冷卻時的溫度分布要求。

3）忽視一些細節(jié)。如工作銜接不好，未能保證掛錫后在5分鐘內(nèi)澆注，使得錫層可能出現(xiàn)氧化，影響結(jié)合，也使得瓦體澆注前245℃的溫度難以保證。

2.6 其他方面的因素分析

1）設計結(jié)構(gòu)不合理。如上瓦經(jīng)偏心加工，加工時車刀正好位于燕尾槽邊緣，車刀和燕尾槽邊緣對合金共同作用，導致合金表面層被剪開或合金層處被壓開，出現(xiàn)裂紋。后續(xù)升版了圖紙，減少了偏心加工量，解決了此問題。

2）澆注時冒口不夠高。冒口位置合金暴露在外表面，與內(nèi)部相比應力少了一維方向，更容易脫胎。因此，適當增加冒口高度，澆注后通過機加工去除，可解決端面線性顯示問題。另外，有廠家將上下瓦合成整圓澆注，使中分面不暴露，也能一定程度上解決問題。

3 改善措施建議

3.1 優(yōu)化掛錫、澆注及冷卻等關鍵環(huán)節(jié)的工藝要求

在工藝中應明確在掛錫前預熱瓦體，以及在掛錫后通過抖動減少錫層厚度的要求，并通過工藝試驗，優(yōu)化掛錫溫度。調(diào)整澆注方法，選用間歇式澆注或底注；調(diào)整冷卻用裝備及方式，確保按自下而上順序凝固；優(yōu)化合金熔煉、澆注溫度；澆注時適度增加冒口高度或采用上下半整體澆注。

3.2 嚴格執(zhí)行工藝要求

盡量保證在規(guī)定時間掛錫澆注，如實在不能保證，則至少應先掛錫保存。確保掛錫表面的加工粗糙度符合要求；嚴格執(zhí)行工藝所要求的掛錫時間。確保按工藝要求執(zhí)行工裝預熱。

3.3 其他建議

合理設計脫氫前的加工留量。選用質(zhì)量好的軸瓦體鑄件，也可選用鍛件；加工時注意控制走刀方向、走刀速度和吃刀量。加強軸瓦制造過程各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量監(jiān)督。

4 結(jié)論

本文通過對國內(nèi)某百萬核電汽輪機軸瓦制造過程中探傷發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題進行總結(jié)分析，剖析了影響軸瓦最終質(zhì)量的關鍵工藝，即巴氏合金的澆注過程各個環(huán)節(jié)的工藝重點和難點，在此基礎上分析了本項目汽輪機軸瓦合金澆注工藝及其執(zhí)行中存在的問題，并進一步提出了改善措施和建議。

隨著核電汽輪機組容量的不斷增大以及設備質(zhì)量要求的不斷提高，高結(jié)合力要求的巴氏合金軸瓦的應用將會成為趨勢，本文從工程實踐出發(fā)，對合金澆注這一特殊工藝環(huán)節(jié)進行的經(jīng)驗反饋，將為提升百萬核電汽輪機軸瓦的國產(chǎn)化質(zhì)量提供具有重要價值的建議。

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