鎳基合金軋制開裂原因分析

蘇麗鳳，武晶晶

(西部金屬材料股份有限公司理化檢驗中心，陜西 西安 710201)

鎳基合金因具有有效的抗應(yīng)力腐蝕、抗氧化性，且在室溫和高溫的苛刻環(huán)境中具有優(yōu)異的力學(xué)性能，所以廣泛應(yīng)用于化工和航海設(shè)備中的加熱管、熱交換器和蒸發(fā)器等結(jié)構(gòu)材料[1]。兩輥周期式軋制因軋制精度高、軋后表面控制良好的特點，在鎳基合金管材生產(chǎn)過程中收到了廣泛的應(yīng)用，鎳基合金產(chǎn)品軋制后的質(zhì)量直接決定著后期鎳基合金管材生產(chǎn)的成品率和表面質(zhì)量。我院生產(chǎn)的鎳基合金軋制后出現(xiàn)了沿著鎳管長度方向的之字型裂紋缺陷，其具體形貌如圖1和圖2所示。從圖2國內(nèi)外對鎳管軋制后形成裂紋的原因研究較少,現(xiàn)有文獻(xiàn)主要描述鎳合金焊接或者熱處理不當(dāng)造成的焊接或熱處理缺陷[3-5]，鮮有人對鎳合金管材軋制開裂原因進(jìn)行分析。本文從鎳基合金管材缺陷形貌進(jìn)行，對鎳基合金缺陷形成的過程進(jìn)行形象化驗證，從而確定鎳基合金管材內(nèi)壁折疊形成的機理。為提高鎳基合金管材軋制成品率，確保鎳管的安全和質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

圖1 鎳管軋后表面裂紋缺陷形貌

圖2 鎳管外表面缺陷光學(xué)形貌(20x)

圖3 鎳管內(nèi)表面缺陷光學(xué)形貌(20x)

1 試驗方法

1.1 金相組織

選用軋制后含有缺陷的鎳合金管材進(jìn)行金相組織觀察。將管材壁厚依次通過400#、600#、1000#及1200#拋光。隨后采用體積分?jǐn)?shù)為10%的磷酸對試樣進(jìn)行電解腐蝕，隨后在奧林巴斯GX51型光學(xué)顯微鏡上沿著試樣壁厚內(nèi)層、中層和外層進(jìn)行金相組織觀察。

1.2 缺陷形貌電鏡觀察

沿著鎳基合金管材裂紋擴展方向?qū)α鸭y進(jìn)行剝離，采用S-3400掃描電鏡對鎳基合金缺陷斷口部位進(jìn)行形貌觀察，電鏡的工作電壓為3.00kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 缺陷組織

圖4為鎳合金管材缺陷斷面組織形貌圖。從圖4(a)可見，鎳合金管材缺陷為裂紋型缺陷，裂紋萌生于管材壁厚外表面，沿著之字形裂紋從外表面沿著壁厚方向進(jìn)行擴展。從圖4(b)可見，鎳合金管材萌生和擴展區(qū)域出得晶粒度為10級，而鎳合金管材壁厚正常區(qū)域處的晶粒度為8級，所以鎳合金管材壁厚處的晶粒度組織差異是缺陷產(chǎn)生的原因。

圖4 鎳合金管材缺陷形貌和組織光學(xué)圖

2.2 電鏡形貌

圖5為鎳基合金裂紋缺陷剝離面電鏡形貌圖。從圖5中可見，鎳基合金裂紋面出現(xiàn)了分層的現(xiàn)象，各層之間清晰可見，屬于脆性斷裂。這與前期金相組織觀察是一致的。

圖5 鎳基合金裂紋缺陷剝離面電鏡形貌

2.3 理論分析

管材中存在組織不均勻缺陷，這種含有缺陷的管材進(jìn)行軋制時，因管材受到軋制應(yīng)力的作用，缺陷沿著缺陷處萌生、進(jìn)而服從最小應(yīng)力法則出現(xiàn)之字形擴展，這些理論分析結(jié)果與實際理論結(jié)果是一致的，可為尋找鎳基合金管材軋制開裂提供參考。

3 結(jié)論

(1)鎳合金管材缺陷為裂紋型缺陷，裂紋萌生于外表面，沿壁厚呈現(xiàn)之字形擴展。鎳基合金缺陷處的晶粒度為10級，正常區(qū)域處的晶粒度為8級。

(2)鎳基合金裂紋面出現(xiàn)了分層的現(xiàn)象，各層之間清晰可見，屬于脆性斷裂。

(3)鎳基合金管材軋制缺陷形成原因與前期實驗結(jié)果基本一致，可為尋找鎳基合金管材軋制開裂提供參考。