GH4033鎳基高溫合金螺栓斷裂原因分析
高溫合金憑借其良好的耐腐蝕性能、高溫強(qiáng)度、抗氧化性能及疲勞性能等綜合性能，在國防軍事和基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用。GH4033是在英國Cr20Ni80基礎(chǔ)上通過合金化方式發(fā)展起來的沉淀強(qiáng)化型鎳基變形高溫合金，是以Ni、Cr元素為基體，添加Al、Ti元素形成γ′（Ni3AlTi）和γ″（NiXNb）相彌散強(qiáng)化，以及碳化物相晶界強(qiáng)化。在700~750℃具有足夠的高溫強(qiáng)度，在900℃以下具有良好的耐腐蝕性能以及抗氧化性能。
催化裝置滑閥螺栓使用僅1a即發(fā)生斷裂，導(dǎo)致閥體導(dǎo)軌和閥板脫落，裝置被迫非計(jì)劃停機(jī)。該滑閥設(shè)計(jì)溫度為780℃，工作溫度為700℃，設(shè)計(jì)壓力為0.5MPa，工作壓力為0.2MPa，介質(zhì)為催化劑和再生空氣。螺栓材質(zhì)為GH4033高溫合金，規(guī)格為M22mm×120mm。本研究針對GH4033高溫合金螺栓過早斷裂失效進(jìn)行原因分析，分析結(jié)論為類似設(shè)備失效與預(yù)防提供參考，促進(jìn)安全生產(chǎn)和穩(wěn)定。
1試驗(yàn)過程與結(jié)果
1.1宏觀觀察
螺栓斷裂于螺紋根部，無明顯塑性變形（圖1）。斷口表面粗糙，起伏狀明顯，為脆性斷裂特征。將斷口清洗后在體式顯微鏡下觀察，表面除殘留的白色催化劑外，還覆有一層黑色氧化膜，應(yīng)為長時(shí)間在高溫環(huán)境下氧化所形成（圖2）。
1.2化學(xué)成分
在斷口下側(cè)光桿部位取樣，對螺栓進(jìn)行化學(xué)成分測試，結(jié)果見表1?？芍菟ú馁|(zhì)合格，滿足GB/T14992-2005對GH4033合金的化學(xué)成分要求。
1.3顯微組織檢查
將螺栓軸向剖開進(jìn)行金相檢驗(yàn)。斷裂螺栓的顯微組織為單相奧氏體，晶粒度為1級，存在少量孿晶和多邊化亞晶。在斷口縱截面處發(fā)現(xiàn)較多的橫向裂紋，沿奧氏體晶界擴(kuò)展，有連接匯聚趨勢，未見穿晶裂紋（圖3）。裂紋擴(kuò)展方向大致與斷口平面平行，垂直于螺栓軸向應(yīng)力。
在滑閥導(dǎo)軌上取1根未斷裂螺栓（同批次同期服役）進(jìn)行金相檢測，未斷裂螺栓顯微組織為孿晶奧氏體，呈條帶狀雙重晶粒特征（圖4），帶狀組織與螺栓終軋溫度有關(guān)。對比發(fā)現(xiàn)，斷裂螺栓奧氏體晶粒明顯粗大，與正常服役螺栓有較大差異。
1.4斷口微觀觀察
在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，外側(cè)和心部晶粒形狀清晰，呈冰糖狀花樣；心部韌窩大而深，伴有二次晶間裂紋（圖5）。結(jié)合斷口的宏觀特征和金相分析結(jié)果，確定該螺栓為沿晶脆性斷裂。
圖6a為斷口縱截面SEM形貌，沿晶裂紋為孔洞型，晶間存在斷鏈狀物質(zhì)，可能為沿晶析出的碳化物顆粒。放大觀察倍數(shù)，發(fā)現(xiàn)明顯的蠕變損傷特征，局部奧氏體晶界存在微小的蠕變孔洞，部分孔洞已長大集聚形成微裂紋（圖6b）。由此可以確定，斷口縱截面處的橫向裂紋為蠕變裂紋。
對比發(fā)現(xiàn)，未斷裂螺栓奧氏體晶內(nèi)分布較多的強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)，細(xì)小的鏈狀碳化物沿晶界分布（圖7）。而斷裂螺栓晶內(nèi)僅有少量強(qiáng)化相，幾乎無沿晶碳化物析出。
2分析與討論
從斷口宏觀特征判斷螺栓為脆性斷裂，在斷口下方發(fā)現(xiàn)較多的沿晶裂紋，邊緣奧氏體組織無變形跡象，結(jié)合斷口微觀形貌，確定螺栓斷裂形式為沿晶脆性斷裂。在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，發(fā)現(xiàn)大量蠕變孔洞，部分孔洞已長大聚集形成微裂紋，證明斷口下方的沿晶裂紋為蠕變裂紋，由此可以確定螺栓斷裂為高溫蠕變引起的沿晶脆性斷裂。
鎳基高溫合金的持久蠕變性能與晶粒度、γ′相、晶界碳化物、TCP相等組織密切相關(guān)。GH4033作為沉淀強(qiáng)化性鎳基高溫合金，應(yīng)具有良好的蠕變性能。該螺栓服役1a即發(fā)生斷裂，使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于質(zhì)保要求。為探究其原因，取導(dǎo)軌上未斷裂螺栓進(jìn)行對比分析。從金相分析結(jié)果看，斷裂螺栓的晶粒度與未斷裂螺栓有較大差異，斷裂螺栓晶粒粗大，在強(qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)性能方面與細(xì)晶態(tài)未斷裂螺栓會有較大區(qū)別。由微觀組織可見，未斷裂螺栓奧氏體晶內(nèi)有較多彌散的強(qiáng)化相和第二相質(zhì)點(diǎn)，細(xì)小的鏈狀碳化物沿奧氏體晶界分布，起到彌散強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化作用。細(xì)小彌散的晶界碳化物能有效阻礙晶界滑動，提高蠕變抗力。斷裂螺栓顯微組織僅存在少量強(qiáng)化相，但幾乎無碳化物沿晶析出。這是由于熱處理不當(dāng)導(dǎo)致的，通過熱處理可以控制晶粒大小、碳化物形態(tài)和分布以及金屬間化合物（γ'相）的大小和分布。
螺栓作為閥板與導(dǎo)軌連接件，螺紋齒根部位由于其特殊形狀加上高溫合金具有缺口敏感性，易受到應(yīng)力集中。長期處于高溫環(huán)境會產(chǎn)生蠕變損傷，萌生蠕變孔洞，孔洞聚集長大形成微裂紋，微裂紋擴(kuò)展連接形成宏觀裂紋，每一次工藝操作所引起的負(fù)荷變化、溫度波動以及閥門在導(dǎo)軌上滑動使得螺栓承受較大的切應(yīng)力等等，都會加速裂紋形成和擴(kuò)展。當(dāng)螺栓有效截面積不足以承載工作負(fù)荷時(shí)，螺栓發(fā)生斷裂失效。
另外，由于GH4033高溫合金的熔點(diǎn)不高于1500℃，它的等強(qiáng)溫度應(yīng)低于750℃。該螺栓正常服役溫度為700℃，在實(shí)際運(yùn)行中，翼閥操作溫度會接近甚至短時(shí)間超過750℃。當(dāng)溫度高于等強(qiáng)溫度時(shí)，材料晶界結(jié)合能小于晶內(nèi)，容易產(chǎn)生沿晶開裂。因此，裝置短時(shí)超溫（等強(qiáng)溫度）運(yùn)行也是加速螺栓蠕變斷裂的原因。
3結(jié)論
1）該螺栓斷裂模式為高溫蠕變引起的沿晶脆性斷裂。
2）因熱處理不當(dāng)，螺栓微觀組織晶粒粗大，未有足夠的第二相和沿晶碳化物析出，弱化細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化作用，導(dǎo)致蠕變性能下降；螺栓作為閥板和導(dǎo)軌的連接件，需承受軸向拉應(yīng)力和切應(yīng)力，長期高溫服役產(chǎn)生蠕變損傷，萌生微裂紋，最終導(dǎo)致螺栓過早斷裂。
