GH4033镍基高温合金螺栓断裂原因分析
高温合金凭借其良好的耐腐蚀性能、高温强度、抗氧化性能及疲劳性能等综合性能，在国防军事和基础工业领域被广泛使用。GH4033是在英国Cr20Ni80基础上通过合金化方式发展起来的沉淀强化型镍基变形高温合金，是以Ni、Cr元素为基体，添加Al、Ti元素形成γ′（Ni3AlTi）和γ″（NiXNb）相弥散强化，以及碳化物相晶界强化。在700~750℃具有足够的高温强度，在900℃以下具有良好的耐腐蚀性能以及抗氧化性能。
催化装置滑阀螺栓使用仅1a即发生断裂，导致阀体导轨和阀板脱落，装置被迫非计划停机。该滑阀设计温度为780℃，工作温度为700℃，设计压力为0.5MPa，工作压力为0.2MPa，介质为催化剂和再生空气。螺栓材质为GH4033高温合金，规格为M22mm×120mm。本研究针对GH4033高温合金螺栓过早断裂失效进行原因分析，分析结论为类似设备失效与预防提供参考，促进安全生产和稳定。
1试验过程与结果
1.1宏观观察
螺栓断裂于螺纹根部，无明显塑性变形（图1）。断口表面粗糙，起伏状明显，为脆性断裂特征。将断口清洗后在体式显微镜下观察，表面除残留的白色催化剂外，还覆有一层黑色氧化膜，应为长时间在高温环境下氧化所形成（图2）。
1.2化学成分
在断口下侧光杆部位取样，对螺栓进行化学成分测试，结果见表1。可知螺栓材质合格，满足GB/T14992-2005对GH4033合金的化学成分要求。
1.3显微组织检查
将螺栓轴向剖开进行金相检验。断裂螺栓的显微组织为单相奥氏体，晶粒度为1级，存在少量孪晶和多边化亚晶。在断口纵截面处发现较多的横向裂纹，沿奥氏体晶界扩展，有连接汇聚趋势，未见穿晶裂纹（图3）。裂纹扩展方向大致与断口平面平行，垂直于螺栓轴向应力。
在滑阀导轨上取1根未断裂螺栓（同批次同期服役）进行金相检测，未断裂螺栓显微组织为孪晶奥氏体，呈条带状双重晶粒特征（图4），带状组织与螺栓终轧温度有关。对比发现，断裂螺栓奥氏体晶粒明显粗大，与正常服役螺栓有较大差异。
1.4断口微观观察
在扫描电镜下观察断口微观形貌，外侧和心部晶粒形状清晰，呈冰糖状花样；心部韧窝大而深，伴有二次晶间裂纹（图5）。结合断口的宏观特征和金相分析结果，确定该螺栓为沿晶脆性断裂。
图6a为断口纵截面SEM形貌，沿晶裂纹为孔洞型，晶间存在断链状物质，可能为沿晶析出的碳化物颗粒。放大观察倍数，发现明显的蠕变损伤特征，局部奥氏体晶界存在微小的蠕变孔洞，部分孔洞已长大集聚形成微裂纹（图6b）。由此可以确定，断口纵截面处的横向裂纹为蠕变裂纹。
对比发现，未断裂螺栓奥氏体晶内分布较多的强化相质点，细小的链状碳化物沿晶界分布（图7）。而断裂螺栓晶内仅有少量强化相，几乎无沿晶碳化物析出。
2分析与讨论
从断口宏观特征判断螺栓为脆性断裂，在断口下方发现较多的沿晶裂纹，边缘奥氏体组织无变形迹象，结合断口微观形貌，确定螺栓断裂形式为沿晶脆性断裂。在扫描电镜下观察断口微观形貌，发现大量蠕变孔洞，部分孔洞已长大聚集形成微裂纹，证明断口下方的沿晶裂纹为蠕变裂纹，由此可以确定螺栓断裂为高温蠕变引起的沿晶脆性断裂。
镍基高温合金的持久蠕变性能与晶粒度、γ′相、晶界碳化物、TCP相等组织密切相关。GH4033作为沉淀强化性镍基高温合金，应具有良好的蠕变性能。该螺栓服役1a即发生断裂，使用寿命远远低于质保要求。为探究其原因，取导轨上未断裂螺栓进行对比分析。从金相分析结果看，断裂螺栓的晶粒度与未断裂螺栓有较大差异，断裂螺栓晶粒粗大，在强度、塑性和韧性等力学性能方面与细晶态未断裂螺栓会有较大区别。由微观组织可见，未断裂螺栓奥氏体晶内有较多弥散的强化相和第二相质点，细小的链状碳化物沿奥氏体晶界分布，起到弥散强化、第二相强化和晶界强化作用。细小弥散的晶界碳化物能有效阻碍晶界滑动，提高蠕变抗力。断裂螺栓显微组织仅存在少量强化相，但几乎无碳化物沿晶析出。这是由于热处理不当导致的，通过热处理可以控制晶粒大小、碳化物形态和分布以及金属间化合物（γ'相）的大小和分布。
螺栓作为阀板与导轨连接件，螺纹齿根部位由于其特殊形状加上高温合金具有缺口敏感性，易受到应力集中。长期处于高温环境会产生蠕变损伤，萌生蠕变孔洞，孔洞聚集长大形成微裂纹，微裂纹扩展连接形成宏观裂纹，每一次工艺操作所引起的负荷变化、温度波动以及阀门在导轨上滑动使得螺栓承受较大的切应力等等，都会加速裂纹形成和扩展。当螺栓有效截面积不足以承载工作负荷时，螺栓发生断裂失效。
另外，由于GH4033高温合金的熔点不高于1500℃，它的等强温度应低于750℃。该螺栓正常服役温度为700℃，在实际运行中，翼阀操作温度会接近甚至短时间超过750℃。当温度高于等强温度时，材料晶界结合能小于晶内，容易产生沿晶开裂。因此，装置短时超温（等强温度）运行也是加速螺栓蠕变断裂的原因。
3结论
1）该螺栓断裂模式为高温蠕变引起的沿晶脆性断裂。
2）因热处理不当，螺栓微观组织晶粒粗大，未有足够的第二相和沿晶碳化物析出，弱化细晶强化、第二相强化和晶界强化作用，导致蠕变性能下降；螺栓作为阀板和导轨的连接件，需承受轴向拉应力和切应力，长期高温服役产生蠕变损伤，萌生微裂纹，最终导致螺栓过早断裂。
