乔莉 *，张辉，刘永刚，陈雷
（ABB(中国)有限公司，北京 100015，中国）
摘要：
本文分析了某NiCr15MoTi高温合金转动部件早期失效断裂的原因。分析发现断裂起源于样品内部原始裂纹；在试样中心部位，残余着大量疏松的有取向的锻造组织, 其发黑部分为原始裂纹氧化痕迹，疑为在模锻过程中因加热温度过高或变形不当产生原始开裂。金相检查发现该高温合金转动部件基本为奥氏体，局部存在择优取向的锻造组织，大部分区域的晶粒尺寸满足供货要求，小于ASTM2，边缘处部分颗粒的晶粒尺寸大于等于ASTM1。从中心到边缘的洛氏硬度为HRC 39－41，无明显差异。
[关键词] 高温合金转动部件；失效分析；热处理；锻造
[中图分类号] TG142.71 [文献标识码] B
Failure and fracture analysis of a rotation part
QIAO Li, ZHANG Hui, LIU Yonggang, CHEN Lei
(ABB (China) Limited, Beijing 100015, China)
Abstract:
In this paper, the fracture failure of a NiCr15MoTi rotation part was analyzed. Analysis show that the fracture source is original crack inside disc, a great many residual forging structure still exists in the center part of disc, the inside dark part was high-temp oxidation of crack that possibly caused in unreasonable forging process. Metallography analysis indicates this NiCr15MoTi alloy is typical austenite with residual forging structure existing, the size of most of particles is less than ASTM2, individual particles near the edge of disc are bigger than ASTM1. Rockwell hardness (HRC) from the center to edge is between HRC 39-41.
Key words: high temperature alloy rotation part, failure analysis, heat treatment, forging1 引言
某单位购置的一批高温合金转动部件，在投入使用前的试验中，多次发生早期断裂失效，在运行几分钟后就发生断裂，速度不到最高速度的一半。据了解，这批高温合金转动部件所用材料为NiCr15MoTi。制造时使用的工艺如下：电渣重熔 -->锻造成圆棒-->切成圆盘-->热模锻-->热处理（固溶热处理，稳定热处理和沉淀强化）-->机加工-->与涡轮轴摩擦焊-->热处理-->精加工至最终尺寸。
通常情况下,早期失效主要是由于设计和制造工艺上存在的缺陷。因此,分析高温合金转动部件早期断裂的原因，对于加强产品质量控制，减少三包损失和赔偿，起着很关键的作用。本文针对这一早期断裂失效，对高温合金转动部件进行了宏观检查，断面分析，金相分析和硬度测试。
2 宏观检查
高温合金转动部件的断裂表面用丙酮去油去污，进行仔细观察。可以发现，断口由样品中原始大裂纹诱发，如图1所示。中心较大的深色部分（1＃，2＃和3＃区域）为裂纹氧化痕迹，使用前已经断裂，猜测是在模锻过程中因加热温度过高或变形不当产生开裂。边缘部分（4＃区域）为瞬间断裂区，其表面较粗糙。其中在深色部分，还发现存在不少冶金缺陷，如2＃区域的带状组织怀疑为残余的锻造组织，这是在热处理后的产品中不允许出现的，因为锻造组织的综合力学性能会远低于热处理后的组织，导致产品力学性能无法满足要求。3＃的黑色区域疑为温度过高发生氧化。
3 微观断面分析
分别取1＃，2＃，3＃和4＃区域，在扫描电子显微镜下观察断面。1＃区域存在大量的脆性沿晶断裂，晶粒大小和组织形貌均一，如图2所示。2＃区域证明存在大量有取向的残余锻造结构，组织疏松多孔，如图3所示。3＃区域的晶粒大小和组织形貌与1＃区域相当，并没有出现过烧导致的晶粒长大现象，所以认为此处的黑色区域为原始裂纹的高温氧化。4＃区域为瞬间断裂区，微观断面形貌显示为沿晶断裂，晶粒大小与组织形貌均一。
对样品外缘的尖锐处进行观察，未发现明显的机加工缺陷。
4 金相分析
在1＃，2＃，3＃和4＃区域垂直于断裂面的方向取金相样品，使用HCl+HNO3+H2O2混合溶液进行腐蚀后进行观察。
金相分析显示，大部分区域为单一奥氏体组织，晶内存在大量孪晶，说明材料之前受到较大应力，但由于固溶处理不充分，未完全消除。1＃区域为单一奥氏体组织，晶粒尺寸<小于ASTM2（ASTM2平均直径179.6μm），存在一定夹杂，如图4所示。2＃区域中存在少量晶粒尺寸稍大于ASTM2。3＃的大部分晶粒尺寸小于ASTM2，有部分尺寸介于ASTM2和ASTM1之间（ASTM1平均直径254.0μm），另外局部发现有择优取向的被拉长的奥氏体晶粒，是残余的锻造组织，在热处理过程中未完全消除，如图5所示。4＃区域的晶粒尺寸明显大于1＃区域，部分晶粒介于ASTM2和ASTM1之间，个别晶粒尺寸大于等于ASTM1，如图6所示。
按照供货要求，奥氏体晶粒尺寸应小于等于ASTM2，允许个别晶粒尺寸等于ASTM1。由此可见，4＃区域的晶粒尺寸已经不满足供货要求，长大的晶粒可能是由于热处理过程中温度过高导致的。
5 硬度测试
对重新抛光未腐蚀的金相样品进行洛氏硬度测试，结果显示1＃，2＃，3＃和4＃区域的洛氏硬度分别为40.2，40.0，40.1和39.4。洛氏硬度在39～41之间，没有明显差别。
6 结论
该高温合金转动部件由原始大裂纹诱发早期失效断裂，另外其中存在较多组织缺陷，如存在夹杂，外缘部分晶体颗粒增大，芯部残余着大量的锻造组织等，这些都是导致该高温合金转动部件力学性能下降，在投入测试后过早断裂的原因。本文给出的建议是：调整热处理制度，降低保温温度，延长保温时间，保证合理的晶粒尺寸，或者改善锻造参数，避免裂纹出现和较大变形，导致在合理的热处理过程中无法消除锻造组织和其他组织缺陷。
参考文献
[1] GB/T 6394-2002金属平均晶粒度测定方法
[2] 李炯辉，林德成. 金属材料金相图谱 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2009, 927-935.