Inconel 718 合金棒材裂紋分析

文／肖君，馬玉斌，劉保亮，宋阿敏·西安三角防務股份有限公司

Inconel 718 是一種沉淀強化鎳基高溫合金，含有鎳、鉻、鐵、鉬、鈮等元素，因其具有較好的抗腐蝕性能和極佳的高溫性能，同時具備良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化性能，因此被廣泛應用于航空、航天、能源和化工等領域。近年來，由于采購量的日益增大，原材料質量問題如δ 相、晶粒度、黑白斑等時有發(fā)生。

本文以Inconel 718 棒材裂紋缺陷為背景，運用X 射線、超聲波探傷、掃描電鏡，對裂紋試料進行成分和組織分析，最終通過對缺陷的重現，找到了裂紋產生的一種可能原因。

裂紋缺陷簡況

自國外某金屬材料生產廠家采購的Inconel 718合金棒材，試料排布見圖1，棒料頭部試片A 面，如圖2(a)所示，經熱處理后腐蝕，發(fā)現異常條紋，后經顯微組織確認為微裂紋。將該試片B 面(見圖2(b))腐蝕后檢查，未見異常。

圖1 試片排布示意圖

圖2 低倍及高倍取樣位置

棒材頭、尾取樣檢測化學成分，結果見表1，各元素含量均正常。

表1 棒材化學成分(質量分數，%)

分析試驗

X 射線檢測

將低倍A、B 面分別進行X 射線檢測，報告見圖3，所發(fā)現的裂紋長度、位置與圖2(紅線框內)所示一致，未見氣孔、夾砂和夾渣、縮孔、鑲鑄物等不連續(xù)缺陷。

圖3 X 射線檢測報告

超聲波探傷

將試片進行超聲波探傷，未發(fā)現存在單顯或其他異常問題，說明試塊內部組織狀態(tài)良好。其中典型的超聲分析結果如圖4 所示。

圖4 典型超聲波探傷結果

顯微組織及能譜

如圖2(a)所示，在低倍上切取高倍試樣進行分析。試樣為圖2(a)中的2#位置，該試樣A 面存在裂紋顯示。

對2#試樣B 面(正常區(qū)域)進行顯微組織檢查，如圖5(a)、(b)所示，未腐蝕態(tài)組織試樣中存在顯著的碳化物條帶，腐蝕態(tài)組織如圖5(c)、(d)所示，晶粒度約為8 級，晶界δ 相以短棒狀析出，為正常組織。

圖5 2#試樣B 面顯微組織

運用光學顯微鏡和掃描電鏡檢查2#試樣A 面、徑軸面，如圖6、圖7 所示，可見該試樣上裂紋最大深度約2mm，如圖6(b)所示；裂紋最大寬度約10μm，如圖7(a)所示。裂紋形態(tài)特征為沿晶擴展，深度大于寬度，裂紋兩側凹凸不平，耦合自然，呈直線狀，尾端較平緩。主裂紋附近存在微裂紋分支，裂紋處及附近的晶粒度一致，無顯著粗大或細化或大小不均勻現象。裂紋邊緣及其他區(qū)域未見異物。

圖6 2#試樣顯微組織

圖7 2#試樣A 面掃描電鏡照片

經掃描電鏡觀察，并對裂紋和正常區(qū)域進行能譜分析，能譜檢測區(qū)域見圖8，能譜分析結果見表2，裂紋區(qū)域和正常區(qū)域元素基本一致，未發(fā)現常見的Ca、Mg 等冶煉渣系元素。

表2 能譜分析結果(質量分數，%)

圖8 能譜測試區(qū)域

分析

該棒材頭尾成分檢測正常，X 射線未發(fā)現氣孔、夾砂和夾渣、縮孔、鑲鑄物等異常情況，超聲波探傷顯示內部組織狀態(tài)良好。顯微組織表明碳化物較明顯，但少量未超標的碳化物不足以產生裂紋，能譜分析顯示裂紋處和正常處的成分基本一致，未發(fā)現Ca、Mg等冶煉渣系元素，未發(fā)現該棒材存在冶金缺陷的證據。

基于以上測試觀察，該裂紋有可能是后期產生，非冶金原因。

裂紋重現試驗

自該棒材頭部再次切取20mm 試片1 片，檢查低倍，結果如圖9(a)所示，未見裂紋。隨后用砂輪打磨試片表面，去除冷卻措施，制造過熱條件，再次對該表面進行低倍檢查，結果如圖9(b)所示，低倍表面產生了類似圖2(a)的裂紋顯示，砂輪打磨后顯微組織如圖10 所示，裂紋形態(tài)與圖6 基本一致。

圖9 砂輪打磨前后低倍

圖10 砂輪打磨后顯微組織

結論

根據現有分析結果，得出如下結論：

⑴棒材化學成分正常。

⑵棒材未見明顯冶金缺陷，晶粒度、δ 相、碳化物均未見異常。

⑶棒材表面經砂輪打磨，去除冷卻措施，制造過熱條件后，在此特定條件下，能夠形成類似裂紋現象。