GH4169高溫合金波紋管疲勞失效分析

路海燕?張斌

摘 要 用電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡等微觀測(cè)試分析技術(shù)對(duì)疲勞失效波紋管的金相組織、斷口微觀形貌進(jìn)行綜合分析。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，波紋管的失效原因是材料局部異常晶粒長(zhǎng)大及表面被酸腐蝕，在壽命試驗(yàn)中誘發(fā)疲勞裂紋源，在循環(huán)應(yīng)力的作用下發(fā)生疲勞腐蝕開裂。

關(guān)鍵詞 GH4169高溫合金;波紋管;疲勞;失效

概述

波紋管是航空、航天、化工、船舶、核工程及各種儀器儀表、調(diào)節(jié)附件中重要的基礎(chǔ)元件。它在外載荷（如均布力、軸向力、橫向力和彎矩等）作用下，產(chǎn)生相應(yīng)的位移，可作為彈性敏感元件、機(jī)械密封元件、介質(zhì)隔離元件、連接元件盒溫度補(bǔ)償元件等使用。根據(jù)儀表、附件的工作性能和結(jié)構(gòu)要求，波紋管都被組成波紋管組合件，有壓力、真空、差動(dòng)、充氣和充液等波紋管組合件。

本文研究的波紋管組合件為壓力波紋管組合件，是由一個(gè)波紋管與兩端零件焊接而成的不可拆連接（圖1）。工作時(shí)波紋管組合件感受壓力而產(chǎn)生軸向位移，最大工作壓力為0.4MPa。該波紋管組合件的工作介質(zhì)為燃油，且最高工作溫度為180℃，配套的波紋管材料選用了GH4169高溫高彈性合金，該材料在高溫介質(zhì)下有良好的抗氧化、耐腐蝕能力，工藝性好，易于加工成形?？己瞬y管組合件的指標(biāo)主要是壽命，波紋管組合件的壽命試驗(yàn)條件為：常溫下，產(chǎn)品內(nèi)腔加壓，壓力從0.01MPa增加到0.4MPa，卸壓后繼續(xù)加壓，循環(huán)75000次。抽取2件合格產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，其中1#產(chǎn)品壽命試驗(yàn)進(jìn)行了20000次時(shí)發(fā)現(xiàn)波紋管從波谷處開裂泄漏，2#產(chǎn)品進(jìn)行了22000次時(shí)發(fā)現(xiàn)波紋管從波谷處開裂泄漏。筆者從失效波紋管的宏觀形貌、顯微金相組織、裂紋斷口微觀形貌進(jìn)行分析，結(jié)合試驗(yàn)以探求波紋管失效原因。

1金相分析

1.1 失效波紋管宏觀形貌

1#產(chǎn)品失效波紋管的裂紋位于第二個(gè)波谷，長(zhǎng)度達(dá)到1/4圓周長(zhǎng)（約10mm），沿周向延伸，深度貫穿波紋管壁厚（0.13mm）。

2#產(chǎn)品失效波紋管的裂紋位于第四個(gè)波谷，長(zhǎng)度達(dá)到1/8圓周長(zhǎng)（約5mm），沿周向延伸，深度貫穿波紋管壁厚。

1.2 金相觀察

對(duì)1#失效波紋管金相觀察，波谷及附近區(qū)域存在異常大晶粒（圖1），其余區(qū)域晶粒大小正常。

對(duì)2#失效波紋管金相組織觀察，波谷及附近區(qū)域晶粒均正常，未出現(xiàn)異常大晶粒，但表面呈鋸齒狀，有腐蝕痕跡（圖2）。

1.3 裂紋及斷口分析

將失效波紋管的裂紋用無損方式打開，斷口呈線緣開裂，沿內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展，裂紋起始撕裂棱線粗大，后期擴(kuò)展平緩，呈大應(yīng)力下疲勞開裂特征（圖3）^[1]。

2原因分析

（1）失效波紋管波谷區(qū)域存在異常大晶粒，是因?yàn)椴y管熱處理爐溫局部超溫所致。金屬在冷態(tài)拉伸變形后進(jìn)行固溶處理，在變形的組織中重新產(chǎn)生無畸變的等軸晶粒，即“再結(jié)晶”，當(dāng)冷變形儲(chǔ)存的能量在再結(jié)晶時(shí)釋放完畢后，晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力來源于晶界遷移后體系總的自由能的降低，細(xì)晶的單位體積內(nèi)晶界面積大，而長(zhǎng)成粗晶時(shí)單位體積內(nèi)晶界面積小，因此晶粒長(zhǎng)大是一個(gè)自發(fā)過程。在更高的溫度下，處于有利于晶粒長(zhǎng)大周邊環(huán)境的少數(shù)晶粒迅速吞并其他晶粒而長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致整體金屬中有少數(shù)的比再結(jié)晶晶粒大幾十倍至幾百倍的特大晶粒存在。

（2）失效波紋管的表面呈鋸齒狀、有腐蝕痕跡，是因?yàn)樵摬y管經(jīng)過表面處理（酸洗）的時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致。該波紋管組合件在最大壓力0.4MPa時(shí)規(guī)定的位移僅為2.25mm±0.1mm，壓力波組件的壓力位移特性與波紋管的剛性及有效面積有關(guān)，波紋管的剛性范圍僅為29.5N/mm±1N/mm，在現(xiàn)有的設(shè)備及工藝條件允許下，通過在管坯拉伸時(shí)厚度留裕量，成型后對(duì)波紋管進(jìn)行表面處理（酸洗）控制波紋管的剛性。但波紋管選用的材料為高溫合金GH4169，本身為耐腐蝕材料，經(jīng)過酸洗后，厚度裕量大的波紋管表處時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致表面過腐蝕，降低了波紋管的壽命及強(qiáng)度。

3糾正措施

根據(jù)試驗(yàn)后失效波紋管的原因分析，制定了兩方面的糾正措施：

一方面，針對(duì)爐溫不均勻現(xiàn)象，重新制作測(cè)溫工裝，將熱處理爐加熱區(qū)內(nèi)各個(gè)位置的爐溫偏差進(jìn)行重新測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，原爐膛中有一部分區(qū)域溫度超過Ⅲ類爐±10℃的偏差要求，熱處理時(shí)容易導(dǎo)致材料固溶不充分或溫度過高晶粒異常長(zhǎng)大。針對(duì)此現(xiàn)象，現(xiàn)已采取以下措施：

（1）根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)該爐重新劃定有效加熱區(qū)，在測(cè)試報(bào)告中明確界定有效加熱區(qū)，并附于現(xiàn)場(chǎng)熱處理爐資料中;

（2）對(duì)熱處理料筐非有效加熱區(qū)用鐵絲網(wǎng)封住，保證零件不在該區(qū)域加熱。

另一方面，針對(duì)波紋管表面過腐蝕的現(xiàn)象，取消了對(duì)波紋管的表面處理，通過使用耐磨損材料加工精度更高的旋拉模具控制管坯壁厚均勻度。

4措施驗(yàn)證

對(duì)波紋管進(jìn)行工藝試驗(yàn)，將熱處理設(shè)備爐溫不均勻的區(qū)域隔離，并且取消表面處理。成型前的管坯及成型后的波紋管進(jìn)行金相組織檢查，并未發(fā)現(xiàn)晶粒異常長(zhǎng)大及表面腐蝕現(xiàn)象。

本批波紋管焊接成組件后抽取了2件產(chǎn)品進(jìn)行了壽命試驗(yàn)，均通過了壽命試驗(yàn)考核。

5結(jié)束語

熱處理爐溫不均勻造成高溫合金薄壁產(chǎn)品熱處理后晶粒異常長(zhǎng)大，薄壁金屬在熱處理時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制爐溫均勻性;高溫合金本身為耐腐蝕材料，使用高溫合金材料的波紋管不建議使用表面處理控制剛性，表面腐蝕后降低了波紋管的壽命及強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1] 金慧根，王柏生.航空制造工程手冊(cè)——彈性元件工藝[M].北京：航空工業(yè)出版社，1994：152.