GH4169 合金環形件裂紋分析

文／劉婧雯·中航金屬材料理化檢測科技有限公司

本文就該零件存在的裂紋問題，通過低倍檢驗、高倍檢驗、能譜分析等方法分析了裂紋形成的原因。分析表明：該零件的裂紋附近高倍組織晶粒均勻一致，碳化物及析出相彌散分布；裂紋整體寬度較窄，長度較短且與零件夾角較小，裂紋末端較為圓鈍，呈典型的雞爪狀，裂紋處氧化變形嚴重。經分析可知，該裂紋是鍛造過程中產生的折疊缺陷。

GH4169 適合用于制造各種形狀復雜的零部件，其在-253 ～700℃內具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強度居變形高溫合金的首位，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，以及良好的加工性能、焊接性能和長期組織穩定性。在航空發動機、核能工業、石油領域等有著廣泛的用途。

某GH4169 零件經鍛造→熱處理→用戶精加工后，在零件內弧面靠近端面處發現裂紋，下面就該裂紋進行進一步金相分析。

試驗過程

裂紋形貌

此零件裂紋形貌如圖1 所示。裂紋位于內弧面靠近端面處，主裂紋一條，裂紋寬度窄，與端面夾角較小。端面處也有裂紋的擴展，擴展的深度較淺且擴展的角度也較小。

圖1 裂紋形貌

低倍及高倍分析

將存在裂紋的區域切取下來，用作高低倍組織分析，切取下來的試樣形貌如圖2 所示，經測量可知：在零件的內弧面，裂紋的長度約7cm，裂紋與端面夾角約45°，裂紋整體不平直，出現多處彎折。在零件的端面，裂紋為主裂紋在端面的擴展，其與零件邊界的夾角也較小，長度較短，約5mm。

圖2 高低倍試樣裂紋形貌

沿零件的徑軸向，在裂紋區域切取高低倍試樣，其取樣位置如圖3 所示。其中1#試樣為斷口試樣，2#試樣為高低倍試樣。

圖3 取樣圖

⑴低倍組織分析。

取2#試樣的兩側徑軸向分別進行磨制、拋光、腐蝕(150gCuSO4+35mLH2SO4+150mLHCl，腐蝕時間20min，腐蝕溫度25℃)后，低倍試片的兩側宏觀組織如圖4 所示。

[元]山西五臺山塔院寺大自塔

圖4 試樣宏觀組織形貌

觀察試樣的宏觀組織可知：除存在裂紋外，兩側組織均未見夾雜、夾渣、氧化膜、疏松、氣孔等冶金缺陷。宏觀組織均勻一致，未見粗晶和晶粒不均勻現象。

⑵高倍組織分析。

①拋光態組織。

分別觀察試樣兩側的裂紋高倍組織，以確認兩處裂紋的性質。高倍試樣經過磨制—拋光后，其顯微組織如圖5、圖6 所示。

圖5 左側裂紋徑軸向拋光態組織

圖6 右側裂紋徑軸向拋光態組織

觀察拋光態組織，可知兩側裂紋附近碳化物以及析出相均彌散分布，裂紋寬度較窄，裂紋尾部比較圓鈍，且裂紋周圍有部分向外發散的微裂紋。

⑶腐蝕態組織。

將拋光試樣進行腐蝕(腐蝕劑：5gCuCl2+100mLHCl+100mL無水乙醇，腐蝕時間10s)，其腐蝕后組織如圖7、圖8 所示。

圖7 左側裂紋徑軸向腐蝕態組織

圖8 右側裂紋徑軸向腐蝕態組織

由腐蝕后的組織可知：兩側的裂紋，其周圍的晶粒均勻一致，未見雙重晶粒、條帶或個別大晶粒等現象，裂紋周圍的組織，其晶粒度均為7 級。利用高倍鏡觀察裂紋處組織，可見裂紋處的組織存在氧化現象。

斷口及能譜分析

為進一步研究該裂紋的性質，將1#試樣沿裂紋方向打開，經過超聲波清洗后，得到的斷口組織如圖9 所示。

圖9 斷口形貌

圖10 斷口掃描電鏡形貌

由裂紋處的斷口組織可見：裂紋處斷口基本呈黑色，整體呈45°切角形貌，斷口內部有明顯的變形磨損痕跡。將斷口進行掃描電鏡分析及能譜分析，其結果如表1 所示。

表1 能譜結果

由能譜結果可知，相較于正常基體，裂紋斷口處，其氧含量較高。這與高倍組織觀察到的氧化現象可互相驗證。

分析與討論

⑴由裂紋分布位置可知：該裂紋位于零件內輪緣靠近端面處，裂紋長度約7cm，裂紋開口不大，彎曲不平整，裂紋開口角度約45°，擴展角度基本平行于內輪緣表面，端面擴展深度約5mm，可知該裂紋屬于零件表層缺陷。

⑵由裂紋徑軸向形貌可知：裂紋末端整體比較圓鈍并且有較多微裂紋存在，呈現典型雞爪狀。

⑶觀察裂紋高倍及低倍組織可知：低倍組織除裂紋外，無其他冶金缺陷，組織均勻一致。高倍組織碳化物及析出相彌散分布，晶粒度為7 級。綜上可知該零件材料組織無明顯冶金缺陷以及晶粒分布不均勻現象。

⑷觀察裂紋處斷口，可見斷口呈明顯的黑色，結合斷口處能譜結果可知，斷口內部有明顯氧化現象。同時，觀察斷口宏觀形貌，可見斷口處有明顯變形擠壓痕跡。

綜上所述，可知該零件出現的裂紋，由于其擴展角度基本呈45°，裂紋兩側彎曲變形明顯，且裂紋內部存在明顯氧化變形現象，徑軸向裂紋末端較為圓鈍，有多處微裂紋，其形貌為雞爪狀，上述典型的特征符合鍛造折疊缺陷。