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(wù)股份有限公司

Inconel 718 是一種沉淀強(qiáng)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(shí)具備良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化性能，因此被廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源和化工等領(lǐng)域。近年來，由于采購量的日益增大，原材料質(zhì)量問題如δ 相、晶粒度、黑白斑等時(shí)有發(fā)生。

本文以Inconel 718 棒材裂紋缺陷為背景，運(yùn)用X 射線、超聲波探傷、掃描電鏡，對(duì)裂紋試料進(jìn)行成分和組織分析，最終通過對(duì)缺陷的重現(xiàn)，找到了裂紋產(chǎn)生的一種可能原因。

裂紋缺陷簡(jiǎn)況

自國(guó)外某金屬材料生產(chǎn)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(jīng)熱處理后腐蝕，發(fā)現(xiàn)異常條紋，后經(jīng)顯微組織確認(rèn)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(cè)化學(xué)成分，結(jié)果見表1，各元素含量均正常。

表1 棒材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

分析試驗(yàn)

X 射線檢測(cè)

將低倍A、B 面分別進(jìn)行X 射線檢測(cè)，報(bào)告見圖3，所發(fā)現(xiàn)的裂紋長(zhǎng)度、位置與圖2(紅線框內(nèi))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(cè)報(bào)告

超聲波探傷

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

圖4 典型超聲波探傷結(jié)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(jìn)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(duì)2#試樣B 面(正常區(qū)域)進(jìn)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(jí)，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(yùn)用光學(xué)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(kuò)展，深度大于寬度，裂紋兩側(cè)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(xì)化或大小不均勻現(xiàn)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(jīng)掃描電鏡觀察，并對(duì)裂紋和正常區(qū)域進(jìn)行能譜分析，能譜檢測(cè)區(qū)域見圖8，能譜分析結(jié)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(xiàn)常見的Ca、Mg 等冶煉渣系元素。

表2 能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖8 能譜測(cè)試區(qū)域

分析

該棒材頭尾成分檢測(cè)正常，X 射線未發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(biāo)的碳化物不足以產(chǎn)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(xiàn)Ca、Mg等冶煉渣系元素，未發(fā)現(xiàn)該棒材存在冶金缺陷的證據(jù)。

基于以上測(cè)試觀察，該裂紋有可能是后期產(chǎn)生，非冶金原因。

裂紋重現(xiàn)試驗(yàn)

自該棒材頭部再次切取20mm 試片1 片，檢查低倍，結(jié)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(duì)該表面進(jìn)行低倍檢查，結(jié)果如圖9(b)所示，低倍表面產(chǎn)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(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有分析結(jié)果，得出如下結(jié)論：

⑴棒材化學(xué)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(jīng)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(xiàn)象。