鈦換熱管脹接裂紋失效分析

燕輝，劉鴻彥，郗運(yùn)富，陳欣，濮陸豐，羅瑯

（南京寶色股份公司， 江蘇 南京 211100）

1 背景

鈦合金材料比強(qiáng)度高、在適當(dāng)?shù)难趸原h(huán)境中可形成一種薄而致密的氧化膜，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，此外，還具有非磁性、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，廣泛用于航空航天、海洋、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。α型鈦合金具有良好的比強(qiáng)度、熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性，焊接性能好，TA2無縫管廣泛用于換熱器中換熱管用途。

在某化工項(xiàng)目換熱器設(shè)備制作中所用TA2無縫換熱管在脹接過程中出現(xiàn)貫穿裂紋，脹接工藝選擇貼脹的方式，壁厚減薄率約2%～3%。失效管的材質(zhì)為TA2，規(guī)格：Φ25×2，換熱管經(jīng)冷軋、退火酸洗后供貨，成品換熱管出廠試驗(yàn)報(bào)告均符合GB/T 3625-2007標(biāo)準(zhǔn)要求。

選取失效脹接裂紋換熱管進(jìn)行失效分析，試驗(yàn)主要是從換熱管的宏觀形貌、化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、斷口形貌及能譜分析等方面進(jìn)行分析研究。

2 試驗(yàn)過程

2.1 宏觀形貌與分析

(1)對(duì)失效管試樣進(jìn)行宏觀觀察，裂紋方向?yàn)榭v向，長(zhǎng)度約24mm，裂紋已貫穿，對(duì)該批號(hào)進(jìn)行線切割，觀察內(nèi)外表面情況，如圖1所示。

圖1 失效換熱管內(nèi)外壁宏觀圖片

從宏觀圖片可以看出，脹接實(shí)驗(yàn)對(duì)失效換熱管內(nèi)外表面損傷較為輕微，同時(shí)觀察到管外表面除貫穿裂紋位置外，在鄰近區(qū)域同時(shí)伴有一定長(zhǎng)度和深度的縱向線性缺陷。

(2)對(duì)失效管試樣進(jìn)行制樣，保留裂紋的原始斷口，對(duì)斷口進(jìn)行多次清洗后，使用體視顯微鏡進(jìn)行宏觀斷口的觀察，如圖2所示。

圖2 失效換熱管斷口宏觀圖片

從斷口宏觀形貌可以看出，斷口整體形貌呈灰色，失效管斷口近外壁斷口相較于其它部位顏色較暗，沿厚度方向相對(duì)光亮平坦，從宏觀形貌可以判斷管材失效由外壁向厚度方向擴(kuò)展。

2.2 成分及力學(xué)性能試驗(yàn)

2.2.1 化學(xué)成分

對(duì)失效管進(jìn)行成分測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 失效換熱管化學(xué)成分 （質(zhì)量百分比/%）

從表1可以看出，失效管成分結(jié)果均符合GB/T 3625-2007 TA2管成分要求。

2.2.2 力學(xué)性能

(1)拉伸性能試驗(yàn)

取失效管換熱管進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T 228.1-2010執(zhí)行，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 失效換熱管拉伸性能結(jié)果

從表2可以看出，失效換熱管抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2超出標(biāo)準(zhǔn)上限值規(guī)定。

(2)擴(kuò)口、壓扁試驗(yàn)

對(duì)失效管換熱管按GB/T 242-2007進(jìn)行擴(kuò)口試驗(yàn)（使用60°錐，擴(kuò)口管內(nèi)徑至20%），按GB/T 246-2017進(jìn)行壓扁試驗(yàn)（壓扁常數(shù)取0.07），結(jié)果顯示壓扁試驗(yàn)合格，擴(kuò)口試驗(yàn)內(nèi)表面有裂紋顯示，如圖3所示。

圖3 擴(kuò)口、壓扁試驗(yàn)結(jié)果照片

(3)材料的硬度

對(duì)失效管斷裂處取樣按GB/T 4340.1-2009進(jìn)行環(huán)向橫截面維氏硬度測(cè)試，硬度結(jié)果分別為189/186/190HV1，平均維氏硬度為188HV1。

2.3 金相組織

對(duì)失效管進(jìn)行微觀組織觀察（見圖4所示），可以看出該失效換熱管組織為加工態(tài)組織，組織為非等軸晶粒，材料在熱處理中未完全再結(jié)晶，可以判斷換熱管在熱處理過程中未能進(jìn)行充分熱處理，未獲得細(xì)小而均勻的結(jié)構(gòu)，換熱管在熱處理過程中消除應(yīng)力不足。

2.4 掃描電鏡及能譜分析

2.4.1 掃描電鏡觀察

圖4 失效換熱管金相組織 100×

圖5 失效換熱管斷口SEM照片

對(duì)失效管斷口樣品再次進(jìn)行超聲波反復(fù)清洗，使用掃描電鏡對(duì)斷口不同位置進(jìn)行觀察，如圖5所示，斷口近外表面已污染（制樣及現(xiàn)場(chǎng)脹接過程中未涉及斷口的污染），由近外表面→厚度方向可以看出有明顯的韌窩特征，材料在斷裂過程中表現(xiàn)為塑性斷裂，在近外表面韌窩數(shù)量有一定的增多。

2.4.2 能譜分析

圖6 近外壁斷口處能譜分析結(jié)

對(duì)已被污染近外表面進(jìn)行能譜測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，從能譜數(shù)據(jù)可以看出除鈦基體外，表面同時(shí)附著Cl、Ca、Na、Si、O等元素，制樣及現(xiàn)場(chǎng)脹接過程中未涉及斷口的污染。

3 分析與討論、建議

3.1 分析與討論

3.1.1 從宏觀形貌可以看出，脹接試驗(yàn)未對(duì)失效管表面形成明顯損傷。失效TA2換熱管樣品除貫穿裂紋外，外表面鄰近區(qū)域伴有一定長(zhǎng)度及深度的線性缺陷，斷口宏觀形貌顯示管材失效由外壁向厚度方向擴(kuò)展。

3.1.2 失效TA2換熱管化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。換熱管拉伸性能抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但其規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2超出標(biāo)準(zhǔn)要求，擴(kuò)口試驗(yàn)結(jié)果有裂紋顯示，材料維氏硬度平均維氏硬度188HV1。

3.1.3 失效TA2換熱管金相組織為加工態(tài)組織，組織形態(tài)為非等軸晶粒，材料在熱處理中未充分結(jié)晶，未獲得細(xì)小而均勻的等軸α鈦組織。

3.1.4 對(duì)失效換熱管斷口進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析可以看出，在管材近外壁斷口平滑，斷口表面已被污染、腐蝕，表面附著Cl、Ca、Na、Si、O等元素；沿著厚度方向上可以看出厚度方向上整體呈韌窩斷口特征，表現(xiàn)出塑性斷裂的形貌，裂紋擴(kuò)展至近外壁，直至貫穿。

3.2 建議

3.2.1 換熱管在熱處理中應(yīng)在合適的加熱溫度并保證保溫時(shí)間，獲得細(xì)小和均勻的等軸α鈦組織，獲得良好的力學(xué)性能從而滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.2 對(duì)于換熱管應(yīng)加強(qiáng)檢驗(yàn)，盡可能地去除表面缺陷，減少裂紋源。

4 結(jié)論

失效換熱管在加工過程中熱處理不充分，屈服強(qiáng)度過高，在脹接的工況條件下沿管外壁缺陷處開裂，裂紋擴(kuò)展直至貫穿。