分享：R26高温合金螺栓断裂原因

R26高温合金具有优良的抗蠕变性能和抗应力松弛性能,被广泛应用于汽轮机汽缸、主汽门等管道法兰部件[1]。然而,随着运行时间的延长,该材料高温螺栓存在严重的第二相析出倾向。带状组织的存在会加重这一倾向,并产生晶间裂纹,严重时会使高温螺栓发生脆性断裂,给设备的安全稳定运行造成隐患[2-3]。某机组高压导汽管法兰螺栓发生断裂现象,螺栓材料为R26合金,尺寸（直径×长度）为55 mm×575 mm（见图1）。笔者采用一系列理化检验方法分析了螺栓断裂的原因,以避免该类问题再次发生。 

图  1  断裂螺栓的宏观形貌

1.   理化检验

1.1   宏观观察

将断裂螺栓的断口清洗后进行宏观观察,结果如图2所示。由图2可知：断口呈多裂纹源扩散特征,不同裂纹源扩展后在交汇位置形成台阶；未见明显疲劳纹路,表面呈颗粒状。说明螺栓断裂方式为脆性断裂。 

图  2  清洗后断口的宏观形貌

在断口附近沿轴向取样,试样的宏观形貌如图3所示。由图3可知：在断口轴向上可见裂纹扩展特征,且裂纹存在多条分叉。 

图  3  断口轴向上的宏观形貌

1.2   化学成分分析

在断裂螺栓上取样,对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：试样中Ti元素含量超出DL/T 439—2018 《火力发电厂高温紧固件技术导则》的要求。 

1.3   金相检验

在螺栓断口上截取金相试样,利用光学显微镜对试样进行观察,结果如图4所示。由图4可知：断口裂纹分叉处可见多处沿晶微裂纹及氧化膜特征。说明裂纹已形成一段时间,并在运行过程中不断扩展并氧化。 

图  4  断口处的微观形貌

断裂螺栓的显微组织形貌如图5所示。由图5可知：螺栓的组织为奥氏体,析出物聚集处可见开裂初期特征,开裂附近存在带状第二相析出,微裂纹扩展方向与轧制流线方向一致,均平行于螺栓主要受力方向。说明析出物的存在造成了区域弱化,使裂纹扩展方向与受力方向不垂直。 

图  5  断裂螺栓的显微组织形貌

1.4   力学性能测试

在断裂螺栓轴向上取样,对试样进行力学性能测试,结果如表2所示。由表2可知：试样的硬度高于DL/T 439—2018要求上限,且抗拉强度和屈服强度均高于标准要求。 

1.5   扫描电镜(SEM)及能谱分析

在螺栓断口处取样,对试样进行SEM分析,结果如图6所示。由图6可知：断口呈冰糖状,晶界处呈微裂纹特征,为脆性断裂的典型形貌。 

图  6  断口处SEM形貌

对螺栓断口处进行能谱分析,分析位置如图7所示,分析结果如表3所示。由表3可知：灰色颗粒析出物中的Ti元素含量高于基体,为基体中的Ti元素未熔或析出所致；晶界处白色第二相中Ni、Ti元素含量偏高,为区域Ni、Ti元素富集相析出所致。 

图  7  螺栓断口处能谱分析位置

2.   综合分析

综合上述分析结果可知：该断裂螺栓中Ti元素含量偏高、硬度超出标准要求,且组织中存在带状析出物,在SEM下可观察到钛化物颗粒呈带状分布。钛化物大量析出使螺栓的轴向强度增大,硬度变大。带状组织的存在使螺栓的抗高温蠕变性能和抗松弛性能变差,造成高温螺栓的使用性能变差[4]。根据宏观观察和SEM分析结果可知,螺栓的断裂性质为脆性断裂,断口存在多处分叉裂纹,裂纹扩展方向为轴向,裂纹附近存在晶界氧化特征与表面氧化膜,推断该裂纹已存在一段时间,且运行应力不是造成裂纹形成的主要原因。断裂螺栓中存在带状组织,导致其硬度变大,塑性和韧性变差[5]。螺栓在长期运行后部分区域的抗氧化性能变差,使螺栓形成晶间氧化微裂纹,微裂纹不断扩展,最终使螺栓发生脆性断裂。 

该螺栓为高压导气管法兰固定螺栓,运行过程中主要承受轴向应力与机组启停过程中产生的热应力,服役温度高于540 ℃,运行条件极为恶劣[6]。对于汽轮机中运行的高温、高压螺栓,较小的性能差异即可造成螺栓断裂[7-8]。 

3.   结论与建议

断裂螺栓中的Ti元素含量偏高,使材料中形成点状析出物,热轧加工后,析出物形成弱化的钛化物带状组织,导致螺栓的高温性能下降、硬度变大,螺栓长期在高温环境下服役,最终导致螺栓发生脆性断裂。 

建议对已投运高温螺栓进行抽查,对硬度、化学成分不满足标准要求的螺栓进行金相检验,必要时进行更换。建议对高温螺栓备品库中的螺栓进行检查,及时更换品质不好的螺栓备品。

文章来源——材料与测试网