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力腐蝕、抗氧化性，且在室溫和高溫的苛刻環境中具有優異的力學性能，所以廣泛應用于化工和航海設備中的加熱管、熱交換器和蒸發器等結構材料[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過程中收到了廣泛的應用，鎳基合金產品軋制后的質量直接決定著后期鎳基合金管材生產的成品率和表面質量。我院生產的鎳基合金軋制后出現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國內外對鎳管軋制后形成裂紋的原因研究較少,現有文獻主要描述鎳合金焊接或者熱處理不當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行分析。本文從鎳基合金管材缺陷形貌進行，對鎳基合金缺陷形成的過程進行形象化驗證，從而確定鎳基合金管材內壁折疊形成的機理。為提高鎳基合金管材軋制成品率，確保鎳管的安全和質量奠定基礎。

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形貌(20x)

圖3 鎳管內表面缺陷光學形貌(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。隨后采用體積分數為10%的磷酸對試樣進行電解腐蝕，隨后在奧林巴斯GX51型光學顯微鏡上沿著試樣壁厚內層、中層和外層進行金相組織觀察。

1.2 缺陷形貌電鏡觀察

沿著鎳基合金管材裂紋擴展方向對裂紋進行剝離，采用S-3400掃描電鏡對鎳基合金缺陷斷口部位進行形貌觀察，電鏡的工作電壓為3.00kV。

2 結果與分析

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行擴展。從圖4(b)可見，鎳合金管材萌生和擴展區域出得晶粒度為10級，而鎳合金管材壁厚正常區域處的晶粒度為8級，所以鎳合金管材壁厚處的晶粒度組織差異是缺陷產生的原因。

圖4 鎳合金管材缺陷形貌和組織光學圖

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了分層的現象，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行軋制時，因管材受到軋制應力的作用，缺陷沿著缺陷處萌生、進而服從最小應力法則出現之字形擴展，這些理論分析結果與實際理論結果是一致的，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，沿壁厚呈現之字形擴展。鎳基合金缺陷處的晶粒度為10級，正常區域處的晶粒度為8級。

(2)鎳基合金裂紋面出現了分層的現象，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果基本一致，可為尋找鎳基合金管材軋制開裂提供參考。