GH4033高溫合金螺栓斷裂原因分析

湯鵬杰，韓旭，梁斌

（南京金創(chuàng)有色金屬科技發(fā)展有限公司，南京 211178）

0 引言

高溫合金憑借其良好的耐腐蝕性能、高溫強度、抗氧化性能及疲勞性能等綜合性能，在國防軍事和基礎工業(yè)領域被廣泛使用[1]。GH4033是在英國Cr20Ni80基礎上通過合金化方式發(fā)展起來的沉淀強化型鎳基變形高溫合金，是以Ni、Cr元素為基體，添加 Al、Ti元素形成 γ′（Ni3AlTi）和 γ″（NiXNb）相彌散強化，以及碳化物相晶界強化。在700~750 ℃具有足夠的高溫強度，在900 ℃以下具有良好的耐腐蝕性能以及抗氧化性能[2-3]。

催化裝置滑閥螺栓使用僅1 a即發(fā)生斷裂，導致閥體導軌和閥板脫落，裝置被迫非計劃停機。該滑閥設計溫度為780 ℃，工作溫度為700 ℃，設計壓力為 0.5 MPa，工作壓力為 0.2 MPa，介質為催化劑和再生空氣。螺栓材質為GH4033高溫合金，規(guī)格為 M22 mm×120 mm。本研究針對 GH4033高溫合金螺栓過早斷裂失效進行原因分析，分析結論為類似設備失效與預防提供參考，促進安全生產(chǎn)和穩(wěn)定。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀觀察

螺栓斷裂于螺紋根部，無明顯塑性變形（圖1）。斷口表面粗糙，起伏狀明顯，為脆性斷裂特征。將斷口清洗后在體式顯微鏡下觀察，表面除殘留的白色催化劑外，還覆有一層黑色氧化膜，應為長時間在高溫環(huán)境下氧化所形成（圖2）。

圖1 斷裂的螺栓Fig.1 Broken bolt

圖2 斷口形貌Fig.2 Fracture morphology

1.2 化學成分

在斷口下側光桿部位取樣，對螺栓進行化學成分測試，結果見表1。可知螺栓材質合格，滿足GB/T 14992—2005對GH4033合金的化學成分要求。

表1 斷裂螺栓化學成分 (質量分數(shù) /%)Table 1 Chemical composition of broken bolt (mass fraction /%)

1.3 顯微組織檢查

將螺栓軸向剖開進行金相檢驗。斷裂螺栓的顯微組織為單相奧氏體，晶粒度為1級，存在少量孿晶和多邊化亞晶。在斷口縱截面處發(fā)現(xiàn)較多的橫向裂紋，沿奧氏體晶界擴展，有連接匯聚趨勢，未見穿晶裂紋（圖3）。裂紋擴展方向大致與斷口平面平行，垂直于螺栓軸向應力。

圖3 斷裂螺栓顯微組織Fig.3 Microstructure of broken bolt

在滑閥導軌上取1根未斷裂螺栓（同批次同期服役）進行金相檢測，未斷裂螺栓顯微組織為孿晶奧氏體，呈條帶狀雙重晶粒特征（圖4），帶狀組織與螺栓終軋溫度有關[4-5]。對比發(fā)現(xiàn)，斷裂螺栓奧氏體晶粒明顯粗大，與正常服役螺栓有較大差異。

圖4 未斷裂螺栓顯微組織Fig.4 Microstructure of unbroken bolt

1.4 斷口微觀觀察

在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，外側和心部晶粒形狀清晰，呈冰糖狀花樣；心部韌窩大而深，伴有二次晶間裂紋（圖5）。結合斷口的宏觀特征和金相分析結果，確定該螺栓為沿晶脆性斷裂。

圖5 斷口微觀形貌Fig.5 Microscopic appearance of fracture

圖6a為斷口縱截面SEM形貌，沿晶裂紋為孔洞型，晶間存在斷鏈狀物質，可能為沿晶析出的碳化物顆粒。放大觀察倍數(shù)，發(fā)現(xiàn)明顯的蠕變損傷特征，局部奧氏體晶界存在微小的蠕變孔洞，部分孔洞已長大集聚形成微裂紋（圖6b）。由此可以確定，斷口縱截面處的橫向裂紋為蠕變裂紋。

圖6 斷裂螺栓縱截面微觀形貌Fig.6 Micromorphology of longitudinal section of broken bolt

對比發(fā)現(xiàn)，未斷裂螺栓奧氏體晶內分布較多的強化相質點，細小的鏈狀碳化物沿晶界分布（圖7）。而斷裂螺栓晶內僅有少量強化相，幾乎無沿晶碳化物析出。

圖7 未斷裂螺栓微觀Fig.7 Microstructure of unbroken bolt

2 分析與討論

從斷口宏觀特征判斷螺栓為脆性斷裂，在斷口下方發(fā)現(xiàn)較多的沿晶裂紋，邊緣奧氏體組織無變形跡象，結合斷口微觀形貌，確定螺栓斷裂形式為沿晶脆性斷裂。在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，發(fā)現(xiàn)大量蠕變孔洞，部分孔洞已長大聚集形成微裂紋，證明斷口下方的沿晶裂紋為蠕變裂紋，由此可以確定螺栓斷裂為高溫蠕變引起的沿晶脆性斷裂。

鎳基高溫合金的持久蠕變性能與晶粒度、γ′相、晶界碳化物、TCP相等組織密切相關[6]。GH4033作為沉淀強化性鎳基高溫合金，應具有良好的蠕變性能。該螺栓服役1 a即發(fā)生斷裂，使用壽命遠遠低于質保要求。為探究其原因，取導軌上未斷裂螺栓進行對比分析。從金相分析結果看，斷裂螺栓的晶粒度與未斷裂螺栓有較大差異，斷裂螺栓晶粒粗大，在強度、塑性和韌性等力學性能方面與細晶態(tài)未斷裂螺栓會有較大區(qū)別[3,7]。由微觀組織可見，未斷裂螺栓奧氏體晶內有較多彌散的強化相和第二相質點，細小的鏈狀碳化物沿奧氏體晶界分布，起到彌散強化、第二相強化和晶界強化作用。細小彌散的晶界碳化物能有效阻礙晶界滑動，提高蠕變抗力[8]。斷裂螺栓顯微組織僅存在少量強化相，但幾乎無碳化物沿晶析出。這是由于熱處理不當導致的，通過熱處理可以控制晶粒大小、碳化物形態(tài)和分布以及金屬間化合物（γ'相）的大小和分布[9-10]。

螺栓作為閥板與導軌連接件，螺紋齒根部位由于其特殊形狀加上高溫合金具有缺口敏感性，易受到應力集中[11]。長期處于高溫環(huán)境會產(chǎn)生蠕變損傷，萌生蠕變孔洞，孔洞聚集長大形成微裂紋，微裂紋擴展連接形成宏觀裂紋，每一次工藝操作所引起的負荷變化、溫度波動以及閥門在導軌上滑動使得螺栓承受較大的切應力等等，都會加速裂紋形成和擴展。當螺栓有效截面積不足以承載工作負荷時，螺栓發(fā)生斷裂失效。

另外，由于GH4033高溫合金的熔點不高于1500 ℃，它的等強溫度應低于750 ℃。該螺栓正常服役溫度為700 ℃，在實際運行中，翼閥操作溫度會接近甚至短時間超過750 ℃。當溫度高于等強溫度時，材料晶界結合能小于晶內，容易產(chǎn)生沿晶開裂[12]。因此，裝置短時超溫（等強溫度）運行也是加速螺栓蠕變斷裂的原因。

3 結論

1）該螺栓斷裂模式為高溫蠕變引起的沿晶脆性斷裂。

2）因熱處理不當，螺栓微觀組織晶粒粗大，未有足夠的第二相和沿晶碳化物析出，弱化細晶強化、第二相強化和晶界強化作用，導致蠕變性能下降；螺栓作為閥板和導軌的連接件，需承受軸向拉應力和切應力，長期高溫服役產(chǎn)生蠕變損傷，萌生微裂紋，最終導致螺栓過早斷裂。