GH4169镍基合金弹簧片失效分析
某电厂汽轮机累记运行10630h后，在一次正常检修中发现中压缸汽封弹簧片多数发生了断裂。汽封弹簧片设计材质GH4169/SQ-P6,工作温度480℃左右。对断裂弹簧片进行失效分析，试验分析用断裂弹簧片规格两种分别为δ=5mm,δ=4mm,弹簧片形状为长280mm,宽8mm的弧形长条。
1实验与分析
1.1宏观分析
汽封弹簧片的断裂均断在弧形长条中间处。两试样断口平整,粗糙,断口与最大正应力方向垂直,无明显塑性变形,均为脆性断口。规格δ=5mm断裂试样经金相砂纸磨制后,肉眼可见裂纹;距断口3mm,长度单面厚度方向上几乎贯穿,单面宽度方向上也几乎贯穿。
1.2化学成分分析
采用ARL-3460直读光谱仪进行化学成分分析,与《GB/T14203-1993钢铁及合金光电发射光谐分析法通则》相比较,结果见表1。可知其化学成分均满足标准要求。
1.3显微组织分析
在试样侧面即厚度方向上做金相分析。金相试验依据《GB13298-91金属显微组织检验方法》进行，显微组织采用王水腐蚀,在OLYMPUS-PMG3金相显微镜下观察。
规格δ=5mm断裂试样，该试样晶粒较粗大且尺寸大小不均匀,晶粒度级别3级,规格δ=4mm断裂试样,该试样晶粒尺寸大小不均匀,晶粒度级别5级,如图1所示。
规格δ=5mm断裂试样，其金相组织为孪晶奥氏体组织，在晶内及晶界上有较多碳化物及夹杂物析出,且在晶界上可见断续分布,这就造成晶界结合力大大下降，同时晶粒粗大使得部件的疲劳性能大大下降,规格δ=4mm断裂试样,金相组织为孪晶奥氏体组织，在晶内及晶界上有较大团絮状夹杂物析出,如图2所示。
规格δ=5mm断裂试样其显微裂纹，裂纹沿晶界扩展并可见沿晶界的二次裂纹，裂纹端部形貌如图3所示,端头止住向垂直方向扩展;规格δ=4mm断裂试样其显微裂纹如图4所示，裂纹沿晶界扩展并可见沿晶界的二次裂纹。晶内晶界上均有数量较多且颗粒较大的碳化物及析出物产生，裂纹由心部质点沿晶界向两侧开裂。这些物相的第二相尺寸比较大,又比较硬,位错运动遇到第二相,不能切过去，便在粒子处发生弯曲,在粒子周围形成一个位错环,使得位错在界面上塞积,造成应力集中,微裂纹便在晶界形核微裂纹形核后,由于析出物使晶界呈现脆性,并且伴随着震动产生的疲劳载荷,使得裂纹形成的同时沿晶界失稳扩展。汽封弹簧片在高温下工作,在裂纹形成后,氧气会扩散进入裂纹中,同基体形成氧化产物,加大晶界的脆性,促进裂纹扩展,且随着部件高温运行,促使晶内,晶界的脆性相继续长大、聚集,导致晶界状态更加恶化,合金的断裂韧性进一步降低,就使得部件出现典型的沿晶脆性断裂。
对汽封弹簧片断裂后新采购的弹簧片取样进行显微组织分析,其金相组织为孪晶奥氏体组织,奥氏体基体上存在少量较小颗粒状析出物，晶粒度为8级,见图5。换上该批弹簧片至今已安全运行4万多小时。通过对比断裂弹簧片和新采购弹簧片的显微组织,可知断裂弹簧片晶内、晶界存在的大量碳化物及析出物是在热加工过程中带来的，属于原始遗留缺陷。其主要原因可能是由于在部件进行固溶阶段时温度偏低,时间偏短;固溶处理后的冷却阶段冷却速度偏低;时效阶段时效温度过高、时效时间过长。
1.4断口形貌分析
断口微区形貌分析采用S-3700N扫描电子显微镜。通过断口微区形貌分析,规格δ=5mm断裂试样其断口微观形貌呈冰糖状，属于典型的沿晶脆性断裂特征,见图6(a)。规格δ=4mm断裂试样其断口微观形貌同样呈冰糖状，属于典型的沿晶脆性断裂特征,见图6(b)。
汽封弹簧片在工作时,受到的是汽封对它的一种压应力,最大受力点在弧形长条的中部,该点内弧受到向两侧的拉应力。在材料组织存在缺陷的情况下，晶界强度及断裂韧性比较低，使得汽封弹簧片在高温压力下运行不久即发生了脆性断裂。
2结论与建议
两弹簧片断裂均为脆性断裂。材料显微组织中的碳化物及析出物是弹簧断裂的重要影响因素。这些大部分是由于不合理的热处理制度造成的。同时汽封弹簧片处在高温、高频率振动的工况下，高温氧化和疲劳也是促进其断裂的重要因素。建议加强材料入厂时的全面检验。以防止由于因为材质不合格以及原始缺陷造成的部件失效。加强运行期间对部件的监督检验，掌握部件运行时组织、性能的变化情况，防止其在正常工作突然发生断裂。
