GH1040合金軋制盤條開裂原因分析

王 成

(甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

GH1040合金為固溶強化型鐵基高溫合金，主要用于800℃以下的燃燒室，700℃以下的渦輪盤、軸和緊固件[1,2]。GH1040合金采用中頻感應(yīng)熔煉-鍛造-軋制-拉拔工藝生產(chǎn)。在產(chǎn)品試制過程中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熱軋后水冷的GH1040合金盤條表面出現(xiàn)了細(xì)小裂紋，筆者采用OEM、EPMA和EDS方法對GH1040合金盤條開裂原因進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)建議。

1 理化檢測結(jié)果

1.1化學(xué)成分

取經(jīng)過熱軋水冷的GH1040合金盤條進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分見表1。其化學(xué)成分符合GB/T 14992-2005的要求。對國標(biāo)中沒有規(guī)定的其他元素含量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)Ti元素殘留量較高。

表1 GH1040合金盤條的化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)值 %

1.2顯微組織

對GH1040合金裂紋盤條進(jìn)行了金相顯微組織觀察。圖1a是未經(jīng)腐蝕的表面宏觀形貌，可見表面有明顯的向內(nèi)部擴展的徑向裂紋；圖1b為經(jīng)過腐蝕后的金相組織，可見在金相顯微鏡下裂紋內(nèi)部有清晰可見的夾雜物，經(jīng)過熱軋后水冷的盤條出現(xiàn)明顯的纖維組織。

對圖1b中箭頭所指裂紋內(nèi)部的夾雜物進(jìn)行EDS分析(圖2)，可以看出圖1b中的夾雜物為TiN。

a. 腐蝕前 b.腐蝕后

圖2 裂紋處夾雜物EDS分析

軋制后產(chǎn)生的明顯纖維組織很可能是由于元素偏析引起的帶狀組織。對裂紋處進(jìn)行EPMA線掃描分析，由圖3可見在裂紋處C、Al、Si元素偏析較明顯。對裂紋附近進(jìn)行EPMA面掃描分析，結(jié)果同樣佐證了C、Al、Si元素偏析明顯的情況。

圖3 裂紋處EPMA線掃描分析

2 開裂原因分析

經(jīng)過熱軋后水冷的GH1040合金盤條出現(xiàn)明顯的纖維組織，這是一種典型的帶狀組織。對于帶狀組織的形成機理，研究者的觀點基本一致，認(rèn)為是元素偏析造成的[3]，由于鑄錠在凝固過程中鋼中各元素的擴散速度不一樣，容易產(chǎn)生枝晶偏析[4]。方坯在進(jìn)行軋制的時候，粗大的枝晶沿變形方向拉長，并逐漸與變形方向一致，形成碳及合金元素的貧化帶與富化帶彼此交替堆疊的帶狀區(qū)。帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻，并嚴(yán)重影響鋼材性能[5]，降低鋼的塑性[6]、沖擊韌性[7,8]、斷裂韌性[9]和斷面收縮率，造成冷彎不合格和沖壓廢品率高[10]，熱處理時鋼材容易變形、淬火開裂[11]。研究表明，改善帶狀偏析的關(guān)鍵因素是控制其冷卻速度[12]。

TiN是一種高硬度的脆性夾雜物[13,14]，在軋制過程中這種夾雜物發(fā)生碎裂。碎裂TiN中的微裂紋本身就是裂紋源，由于其規(guī)則的高硬度的棱角容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而也是GH1040合金盤條裂紋產(chǎn)生的主要因素。文獻(xiàn)[13]表明在相同的平均尺寸條件下，TiN的危害性比相應(yīng)的B類氧化物更大。對于脆性氧化物夾雜產(chǎn)生的危害可以通過氧化物夾雜形態(tài)控制技術(shù)加以解決，但對于鈦夾雜的性質(zhì)卻無法通過工藝技術(shù)手段加以改變。

3 結(jié)論

3.1經(jīng)過熱軋水冷后的GH1040合金盤條開裂主要是由于元素的偏析而形成了帶狀組織，帶狀組織在經(jīng)過熱軋后水冷容易變形開裂，因此控制好其冷卻速度十分重要。

3.2裂紋內(nèi)部有明顯的高硬度的脆性夾雜TiN，這種夾雜物在軋制過程中會發(fā)生碎裂。這是經(jīng)過熱軋水冷后的GH1040合金盤條開裂的主要裂紋源。特別是這種對氮含量有要求的合金中不應(yīng)使用Ti來細(xì)化晶粒，以避免產(chǎn)生TiN夾雜，可考慮加入混合稀土來細(xì)化晶粒。

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