氣動閥合金閥瓣開裂原因分析

李貴杰 駱云龍

（陽江核電有限公司，廣東 陽江 529941）

0 引言

國外某公司生產的一種氣動閥，閥瓣由Z2CN18-10奧氏體不銹鋼基材及其表面堆焊司太立合金組成。某電廠正常檢修中發現功能位置為206VP的該型氣動閥閥瓣頂部圓形部分發生開裂，其圓頂直徑18mm，約3/4的面積開裂脫落，脫落部分厚度2mm。后續對同類型的其他閥門進行檢查，發現編號209VP、091VP、092VP、115VP、119VP、114VP、136VP、122VP等多個閥門閥瓣均存在裂紋。可能存在共模失效問題，本文對206VP和209VP兩個閥門開展理化檢測與分析。

1 檢查方法與結果

1.1 宏觀檢查

對兩送檢的閥瓣進行宏觀觀察；閥瓣缺陷的宏觀位置照片如圖1所示。

圖1 閥瓣缺陷的宏觀位置

對缺陷部位進行宏觀檢查，缺陷處的宏觀形貌照片如圖2所示。

從圖2中（a）、（b）照片可以看出， 206VP閥瓣圓頂堆焊層約3/4已脫落；閥瓣圓頂外表面司太立合金堆焊層斷口可以看到黃褐色的腐蝕產物，中心位置的不銹鋼基體也有明顯的銹跡；不銹鋼基體四周則呈現出較亮的結晶狀脆斷形貌圖2（a）所示。由圖2中（c）、（d）照片可以看出， 209VP閥瓣頂部中心附近存在一條主裂紋1，圓頂外側存在一條次裂紋2。

圖2 閥瓣缺陷處的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

對閥瓣司太立堆焊層進行化學成分分析，表1為堆焊層化學成分。

表1 堆焊層化學成分

1.3 硬度測試

測試設備：HV-50Z型自動轉塔數顯維氏硬度計；

測試條件：負荷10kg、負荷保持時間10s；

測試方法：按照GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》進行；

在兩閥瓣的縱剖面金相試樣上對外層司太立堆焊層進行硬度測試，測試位置及測試值如圖3及表2所示。

圖3 堆焊層硬度測試位置示意圖

1.4 金相檢驗

檢驗設備：Zeiss Axiovert 200MAT 金相顯微鏡；將兩個閥瓣縱向對稱剖開，制備金相試樣后在金相顯微鏡下觀察；

206VP閥瓣檢驗位置及金相組織如圖4所示。

表2 堆焊層硬度測試值（HV10）

圖4 206VP閥瓣金相組織

由圖4中圖4（b）和圖4（c）可見，斷面處堆焊層與不銹鋼基體在熔合線位置沿不銹鋼基體出現沿晶開裂，部分不銹鋼晶粒在制樣過程中脫落；圖4（d）可見，裂紋從堆焊層與不銹鋼基體的結合面附近啟裂，之后裂紋以近似垂直于外表面的方向以沿晶形式向堆焊層外表面擴展。由裂紋根部及尖端放大圖4（e）和圖4（f）可見，裂紋以沿晶擴展為主。圖4（g）為斷口位置在金相顯微鏡下的放大形貌，堆焊層金相組織為奧氏體枝晶+晶間碳化物。不銹鋼基體為奧氏體組織。

209VP閥瓣檢驗位置示意圖及金相組織如圖5所示。

由圖5（b）和圖5（c）可見，裂紋已貫穿閥瓣外層司太立堆焊層，在不銹鋼基體熱影響區同樣存在晶間裂紋，部分晶粒在制樣過程中脫落；通過照片d中二次裂紋的形貌特征可以看出，裂紋由結合面附近以沿晶形式向堆焊層外表面擴展；照片e表明裂紋附近堆焊層的金相組織為奧氏體枝晶+碳化物。

1.5 斷口微觀分析

檢驗設備：VEGA TS 5136XM掃描電子顯微鏡。

將已斷裂的206VP閥瓣置于掃描電子顯微鏡下進行斷口形貌分析，得到形貌如圖6所示。

圖5 209VP閥瓣金相組織

圖6 206VP閥瓣斷口形貌

閥瓣脫落后不銹鋼基體表面（圖6（a）中位置1）為典型的冰糖狀沿晶斷口形貌圖6（b），閥瓣頂部中心位置堆焊層與不銹鋼基體已經剝離（圖6（c）、（d）。

對堆焊層斷面進行微觀觀察發現，堆焊層斷口表面被腐蝕產物覆蓋，靠近熔合線位置圖6（c）中位置2）處斷面腐蝕形貌呈現泥紋狀圖6（e），靠近堆焊層表面位置（圖6（c）中位置3）斷面腐蝕產物則呈疏松的渣狀形態（圖6（f））。

分別對兩位置腐蝕產物進行能譜分析，如圖7所示。

圖7 圖6照片c中位置2、3腐蝕產物能譜分析

2 討論

化學成分分析表明兩閥瓣外層堆焊層各元素含量均符合NB/T 20002.7-2003標準對12級鈷基合金材料的化學成分要求；硬度測試中，206VP堆焊層硬度為468～505HV，209VP堆焊層為475～536HV，硬度值分散性較大；金相檢驗表明，兩個閥瓣堆焊層金相組織均為奧氏體枝晶+晶間碳化物，不銹鋼基體為奧氏體組織，組織未見明顯異常。206VP閥瓣的內部裂紋和209VP閥瓣裂紋都是從堆焊層和不銹鋼基體的結合面附近啟裂，以沿晶形式向外擴展的。不銹鋼熱影響區內裂紋是以沿晶形式擴展的；斷口微觀分析表明，堆焊層斷口表面覆蓋有褐色腐蝕產物，能譜分析結果顯示為Fe和Cr的氧化物。不銹鋼基體斷口為典型的冰糖狀沿晶斷口形貌。

綜上所述，兩閥瓣外層堆焊層各元素含量均符合NB/T 20002.7-2003標準要求，可排除焊材錯用和焊接過程中引起堆焊層增碳的情況。通過對裂紋的宏微觀分析和金相檢驗可知，兩閥瓣上的裂紋和斷口裂紋開裂性質相同，都是以沿晶形式擴展。司太立合金的導熱性很差，且在高溫下有相當好的抗應力松弛性能，如果焊前預熱和焊后熱處理沒有做到位，就可能在堆焊層焊道和近縫區處存在較大的拉伸殘余應力，可能導致堆焊層在焊接或焊后冷卻過程中形成微裂紋，或者在使用過程中，在外部載荷和內部殘余應力的共同作用下產生開裂。206VP和209VP的堆焊層硬度分別為468～505HV和475～536HV，硬度分散性較大，側面反映出堆焊層內的殘余應力水平較高。

3 結論

（1）堆焊層裂紋和斷口裂紋均為沿晶裂紋；

（2）閥瓣堆焊層在焊前預熱和焊后熱處理不足，導致堆焊層硬度分散性大，殘余應力水平高，是導致該批閥門閥瓣開裂的主要原因。