Incoloy800鎳基合金電熱管彎管斷裂原因分析

周 圣 褚藝光 何統統 王丙旭

（1. 杭州佐帕斯工業有限公司，浙江 杭州 310018；2. 浙江理工大學 機械工程學院，浙江 杭州 310018）

0 引言

Incoloy800鎳基合金由于鎳和鉻元素含量較高，因此具有良好的導熱、耐高溫腐蝕、抗應力腐蝕和抗氧化性能，常用于生產電熱管、熱交換器和蒸餾器[1-5]。

目前，Incoloy800鎳基合金是市場上電熱管的主要原材料，電熱管的主要生產流程包括：原始鋼帶檢測→氬弧焊制管→（退火）→灌裝鎂粉→輥壓減徑→（退火）→彎管成型→縮徑→壓制→組裝→密封→性能測試。材料開裂是電熱管生產過程中的常見問題，多發生在彎管成型階段，嚴重影響電熱管的質量[6-8]。筆者對Incoloy800鎳基合金電熱管斷裂樣品進行了檢驗，綜合分析了彎管成型過程中具體的開裂原因，并提出了相應的改進建議，為Incoloy800鎳基合金電熱管彎管成型工藝提供技術支持。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌

采用氬弧焊工藝將Incoloy800鎳基合金鋼帶制成鋼管，輥壓后外徑為10mm、壁厚為0.5mm，在彎管成型過程中出現開裂，開裂處均發生在高形變區域的最外側，斷裂樣品如圖1所示。

圖1 斷管樣品宏觀形貌

1.2 化學成分

從斷裂樣品上取樣并進行化學成分分析，結果如表1所示。與Incoloy800鎳基合金化學成分標準值進行對比后發現，所用材料的各元素含量均符合要求。

表1 斷裂樣品化學成分（質量分數，%）

1.3 金相組織

從斷裂樣品上切取金相試樣，經過400-2000目砂紙研磨和金剛石拋光膏拋光，再采用氯化鐵鹽酸腐蝕液腐蝕表面，使用無水乙醇沖洗后烘干。使用VM3000I倒置金相顯微鏡觀察微觀組織。斷裂樣品的基體組織均為單一奧氏體，晶粒度等級分別為7.5級、7.5級和7級，如圖2所示。

圖2 斷管樣品顯微組織

1.4 拉伸性能

使用WAW-100型萬能材料試驗機對原始鋼帶進行拉伸測試，測試過程依據GB/T 228.1—2021標準，五次測試結果（屈服強度σs、抗拉強度σb、延伸率δ）的平均值分別為262.6MPa，555.4MPa，43.2%（1號樣品）、261.2MPa，550.7.4MPa，44.6%（2號樣品）和264.7MPa，556.0MPa，42.1%（3號樣品），符合具體技術要求（245MPa≤σs≤275MPa，530MPa≤σb≤580MPa，40%≤δ）。

1.5 顯微硬度

使用XHV-1000T-CCD型維氏硬度計對原始鋼帶進行顯微硬度測量，測量過程依據GB/T4340.1-2009標準，五次測量結果的平均值分別為148.2HV（1號樣品）、147.6HV（2號樣品）和148.5HV（3號樣品），符合具體技術要求（≤150HV）。

1.6 斷口形貌

使用TESCAN VEGA COMPACT掃描電子顯微鏡觀察斷管樣品的斷口表面形貌，發現斷裂形式為韌性和脆性混合斷裂，斷裂前材料的局部區域發生塑性變形，形成韌窩狀花紋和撕裂嶺，其他區域出現尺寸較小的解理斷裂平面，如圖3所示。

圖3 斷管樣品斷口形貌

1.7 斷裂原因分析

原因一：電熱管彎管過程中，外側管壁受拉應力作用，內側管壁受壓應力作用。當拉應力超過材料本身的抗拉強度時，外側管壁將會開裂。實際生產中發現一部分電熱管的斷裂位置位于氬弧焊焊縫附近，經退火熱處理后焊縫組織仍為柱狀晶，柱狀晶之間存在夾雜物和縮孔等缺陷，在彎管過程中，當焊縫處于外側時，結合力較弱的柱狀晶無法承受彎管時的局部高應力，如圖4所示。

原因二：對斷口形貌進行觀察，發現斷口處存在尺寸大小不一的孔洞和裂紋。在電熱管彎管過程中，這些孔洞和裂紋周圍會產生應力集中，增加裂紋的萌生和擴展速度，如圖5所示。出現孔洞和裂紋的原因可能是合金在鑄造過程中內部存在氣孔和疏松，基體組織中存在夾雜物以及軋制過程中出現材料開裂。

2 結語

Incoloy800鎳基合金電熱管彎管斷裂的主要原因是焊縫在彎管過程中處于外側，在拉應力作用下出現開裂，以及基體中存在孔洞和裂紋，在應力集中處容易出現開裂。

建議對原材料和加工工藝進行以下三個方面的調整：（1）優化氬弧焊焊接工藝參數，提高焊縫力學性能，同時在彎管過程中，盡量避免焊縫處于外側；（2）優化鑄造和軋制工藝參數，減少基體中的縮松、縮孔和裂紋等缺陷；（3）優化熱處理工藝參數，消除焊縫內柱狀晶。