Incoloy800鎳基合金電熱管彎管斷裂原因分析

周 圣 褚藝光 何統(tǒng)統(tǒng) 王丙旭

（1. 杭州佐帕斯工業(yè)有限公司，浙江 杭州 310018；2. 浙江理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引言

Incoloy800鎳基合金由于鎳和鉻元素含量較高，因此具有良好的導(dǎo)熱、耐高溫腐蝕、抗應(yīng)力腐蝕和抗氧化性能，常用于生產(chǎn)電熱管、熱交換器和蒸餾器[1-5]。

目前，Incoloy800鎳基合金是市場上電熱管的主要原材料，電熱管的主要生產(chǎn)流程包括：原始鋼帶檢測→氬弧焊制管→（退火）→灌裝鎂粉→輥壓減徑→（退火）→彎管成型→縮徑→壓制→組裝→密封→性能測試。材料開裂是電熱管生產(chǎn)過程中的常見問題，多發(fā)生在彎管成型階段，嚴(yán)重影響電熱管的質(zhì)量[6-8]。筆者對(duì)Incoloy800鎳基合金電熱管斷裂樣品進(jìn)行了檢驗(yàn)，綜合分析了彎管成型過程中具體的開裂原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議，為Incoloy800鎳基合金電熱管彎管成型工藝提供技術(shù)支持。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌

采用氬弧焊工藝將Incoloy800鎳基合金鋼帶制成鋼管，輥壓后外徑為10mm、壁厚為0.5mm，在彎管成型過程中出現(xiàn)開裂，開裂處均發(fā)生在高形變區(qū)域的最外側(cè)，斷裂樣品如圖1所示。

圖1 斷管樣品宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分

從斷裂樣品上取樣并進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。與Incoloy800鎳基合金化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，所用材料的各元素含量均符合要求。

表1 斷裂樣品化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.3 金相組織

從斷裂樣品上切取金相試樣，經(jīng)過400-2000目砂紙研磨和金剛石拋光膏拋光，再采用氯化鐵鹽酸腐蝕液腐蝕表面，使用無水乙醇沖洗后烘干。使用VM3000I倒置金相顯微鏡觀察微觀組織。斷裂樣品的基體組織均為單一奧氏體，晶粒度等級(jí)分別為7.5級(jí)、7.5級(jí)和7級(jí)，如圖2所示。

圖2 斷管樣品顯微組織

1.4 拉伸性能

使用WAW-100型萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)原始鋼帶進(jìn)行拉伸測試，測試過程依據(jù)GB/T 228.1—2021標(biāo)準(zhǔn)，五次測試結(jié)果（屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb、延伸率δ）的平均值分別為262.6MPa，555.4MPa，43.2%（1號(hào)樣品）、261.2MPa，550.7.4MPa，44.6%（2號(hào)樣品）和264.7MPa，556.0MPa，42.1%（3號(hào)樣品），符合具體技術(shù)要求（245MPa≤σs≤275MPa，530MPa≤σb≤580MPa，40%≤δ）。

1.5 顯微硬度

使用XHV-1000T-CCD型維氏硬度計(jì)對(duì)原始鋼帶進(jìn)行顯微硬度測量，測量過程依據(jù)GB/T4340.1-2009標(biāo)準(zhǔn)，五次測量結(jié)果的平均值分別為148.2HV（1號(hào)樣品）、147.6HV（2號(hào)樣品）和148.5HV（3號(hào)樣品），符合具體技術(shù)要求（≤150HV）。

1.6 斷口形貌

使用TESCAN VEGA COMPACT掃描電子顯微鏡觀察斷管樣品的斷口表面形貌，發(fā)現(xiàn)斷裂形式為韌性和脆性混合斷裂，斷裂前材料的局部區(qū)域發(fā)生塑性變形，形成韌窩狀花紋和撕裂嶺，其他區(qū)域出現(xiàn)尺寸較小的解理斷裂平面，如圖3所示。

圖3 斷管樣品斷口形貌

1.7 斷裂原因分析

原因一：電熱管彎管過程中，外側(cè)管壁受拉應(yīng)力作用，內(nèi)側(cè)管壁受壓應(yīng)力作用。當(dāng)拉應(yīng)力超過材料本身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，外側(cè)管壁將會(huì)開裂。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)一部分電熱管的斷裂位置位于氬弧焊焊縫附近，經(jīng)退火熱處理后焊縫組織仍為柱狀晶，柱狀晶之間存在夾雜物和縮孔等缺陷，在彎管過程中，當(dāng)焊縫處于外側(cè)時(shí)，結(jié)合力較弱的柱狀晶無法承受彎管時(shí)的局部高應(yīng)力，如圖4所示。

原因二：對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)斷口處存在尺寸大小不一的孔洞和裂紋。在電熱管彎管過程中，這些孔洞和裂紋周圍會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，增加裂紋的萌生和擴(kuò)展速度，如圖5所示。出現(xiàn)孔洞和裂紋的原因可能是合金在鑄造過程中內(nèi)部存在氣孔和疏松，基體組織中存在夾雜物以及軋制過程中出現(xiàn)材料開裂。

2 結(jié)語

Incoloy800鎳基合金電熱管彎管斷裂的主要原因是焊縫在彎管過程中處于外側(cè)，在拉應(yīng)力作用下出現(xiàn)開裂，以及基體中存在孔洞和裂紋，在應(yīng)力集中處容易出現(xiàn)開裂。

建議對(duì)原材料和加工工藝進(jìn)行以下三個(gè)方面的調(diào)整：（1）優(yōu)化氬弧焊焊接工藝參數(shù)，提高焊縫力學(xué)性能，同時(shí)在彎管過程中，盡量避免焊縫處于外側(cè)；（2）優(yōu)化鑄造和軋制工藝參數(shù)，減少基體中的縮松、縮孔和裂紋等缺陷；（3）優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)，消除焊縫內(nèi)柱狀晶。