分享：膜盒组合件泄漏原因

膜盒组合件由多个金属膜片精密焊接组合而成，作为一种弹性敏感元件，其在工作过程中主要用于感受压力的变化，具有精度高、线性好、位移量大、灵敏度高和滞后小等优点[1]，广泛应用于航空、航天、航海、压力测试及自动化等领域[2-4]。通常要对膜盒组合件进行压力循环试验，考察其弹性和抗疲劳性能。膜盒组合件泄漏的原因一般来源于膜片自身缺陷、焊缝缺陷、工作载荷或使用环境等。 

以PH15-7Mo为代表的沉淀硬化不锈钢兼有奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢的优点，具有良好的耐蚀性和焊接性能，在固溶状态下具有较好的加工成型性能，而在最终的热处理状态下，该钢具有较高的强度和良好的综合性能，使其适用于制造飞行器构件、弹性元件、弹簧和阀膜等部件[5-8]。某膜盒组合件膜片由牌号为PH15-7Mo的沉淀硬化不锈钢带材经碾压、成型、固溶、切边、冲孔和时效等工序加工而成。该膜盒组合件经6万次压力循环试验后发生泄漏，按照设计要求，该膜盒组合件能够经受20万次压力循环试验，该泄漏事故属于早期失效。为确定该膜盒组合件泄漏的原因，笔者采用一系列理化检验方法对泄漏原因进行分析，并针对膜盒组合件的质量控制提出了建议，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

经气密性检查，膜盒组合件泄漏部位位于压力端的第3个膜片，膜盒组合件宏观形貌如图1所示。将膜盒组合件拆解后，泄漏膜片的内、外表面形貌如图2，3所示，圆圈处为泄漏位置。 

图  1  膜盒组合件宏观形貌

图  2  泄漏膜片内表面宏观形貌

图  3  泄漏膜片外表面宏观形貌

1.2   扫描电镜（SEM）分析

在裂纹处截取试样，将试样置于SEM下观察，结果如图4所示。由图4可知：穿透性裂纹长度约为2.5 mm，裂纹位于膜片半径中部，沿径向延伸，裂纹周围比较洁净，未发现明显的腐蚀痕迹。 

图  4  泄漏膜片裂纹位置SEM形貌

膜片外表面未发现明显的划痕、刮痕、凹坑等表面缺陷，从膜片内表面观察，开裂膜片裂纹位置表面SEM形貌如图5所示。由图5可知：裂纹所在部位有两处明显的刮伤痕迹，分别命名为刮痕1和刮痕2，裂纹从刮痕处沿径向向两侧延伸，最后连成一条裂纹。 

图  5  开裂膜片裂纹位置表面SEM形貌

将开裂膜片沿裂纹扩展方向打开后，用超声波和无水乙醇对试样进行清洗和晾干，然后观察裂纹的断口特征，结果如图6~11所示。由图6可知：从整体观察，断口比较平齐，未见明显的塑性变形，呈脆性断裂特征，裂纹起源于膜片的内表面，有两处裂纹源区，分别命名为裂纹源区1和裂纹源区2，呈多源特征。两处裂纹源区分别与图5的膜片内表面两处刮痕相对应，裂纹起源于刮痕根部，裂纹从膜片内表面向外表面及两侧扩展，可见明显的扩展棱线（见图7,8）；裂纹稳定扩展区有明显的疲劳条带特征（见图9），裂纹快速扩展区呈类解理与韧窝的混合特征（见图10）；裂纹的最后开裂区呈韧窝特征（见图11）。 

图  6  裂纹断口SEM形貌

图  7  裂纹源区1的SEM形貌

图  8  裂纹源区2的SEM形貌

图  9  稳定扩展区SEM形貌

图  10  快速扩展区SEM形貌

图  11  最后开裂区SEM形貌

1.3   化学成分分析

采用碳硫分析仪和荧光光谱仪对开裂膜片进行化学成分分析。分别在开裂膜片裂纹附近（位置1）及裂纹相对膜片中心的对称位置（位置2）取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：C元素质量分数偏高，其他元素均符合SAE AMS5520G-2009《15Cr-7.1Ni-2.5Mo-1.1Al溶液热处理沉淀硬化的耐腐蚀耐热钢片、钢带、钢箔和钢板》对PH15-7Mo钢的要求。 

1.4   金相检验

在开裂膜片裂纹位置截取金相试样，对试样进行镶嵌、打磨、抛光和腐蚀后，采用光学显微镜观察其微观形貌，结果如图12所示。由图12可知：开裂膜片的内、外表面均有轻微增碳现象，而膜片的生产工序中无渗碳工艺，推断在成型后的热处理过程中，膜片表面受到了碳化物污染，造成表面增碳；膜片中心部位的显微组织为马氏体+金属间化合物，显微组织正常。 

图  12  开裂膜片显微组织形貌

1.5   硬度测试

在开裂膜片裂纹附近截取硬度试样，对试样进行镶嵌、打磨和抛光后，用显微硬度计测试基体材料的硬度，开裂膜片的硬度分别为468，471，472，480，473 HV0.2，平均值为474 HV0.2，依据标准SAE AMS 5520G—2009，膜片采用RH950制度进行热处理后的洛氏硬度应满足不小于45 HRC的要求，依据GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》，将显微硬度474 HV0.2换算成洛氏硬度，结果为47.4 HRC，符合技术要求。 

2.   综合分析

由以上理化检验结果可知，膜盒组合件开裂膜片的硬度和心部显微组织符合标准要求，化学成分中的C元素含量偏高，开裂膜片的内、外表面有轻微增碳现象，而膜片的生产工序中无渗碳工艺。通过质量复查，膜片成型前材料化学成分和表面显微组织正常，可以判断膜片在成型后热处理过程中受到碳化物污染，造成表面增碳和化学成分中的C元素含量偏高，导致膜片表面的脆性增强，抗疲劳性能降低。 

膜片内表面有两处明显的刮伤痕迹，裂纹起源于刮痕位置，沿径向向两侧延伸，最后连成一条裂纹。断口呈脆性断裂特征，裂纹起源于膜片的内表面，裂纹源区有两处，呈多源特征，两处裂纹源区分别与膜片内表面两处刮痕相对应，裂纹起源于刮痕根部，裂纹从膜片内表面向外表面及两侧扩展，可见明显的扩展棱线，裂纹稳定扩展区有明显的疲劳条带特征，裂纹快速扩展区呈类解理与韧窝的混合特征，裂纹最后开裂区呈韧窝特征，说明膜片的开裂性质为疲劳开裂。 

综上所述，膜盒组合件第3个膜片开裂的主要原因是膜片内表面有两处刮伤痕迹，引起局部应力集中，产生微裂纹，在压力循环试验过程中的交变应力作用下，裂纹不断向外表面及两侧扩展，最后导致膜片发生疲劳开裂。开裂膜片的内、外表面有轻微增碳现象，使膜片表面的脆性增强，韧性降低，加速了裂纹的形成与扩展。 

3.   结论及建议

（1）膜盒组合件发生泄漏的原因是压力端的第3个膜片开裂，开裂性质为疲劳开裂。第3个膜片开裂的主要原因是膜片内表面有两处刮伤痕迹，引起局部应力集中，产生微裂纹，在压力循环试验的交变应力作用下，裂纹不断扩展，膜片的内、外表面有轻微增碳现象，加速了裂纹的形成与扩展，最后导致膜片发生疲劳开裂现象。 

（2）建议严格控制膜片的表面品质，规范工艺过程检验程序，避免使用表面有缺陷的膜片。 

（3）建议严格控制膜片制造过程的热处理工序，防止膜片表面受到碳化物污染，发生表面增碳现象。

文章来源——材料与测试网