GH1040合金轧制盘条开裂原因分析

王 成

(甘肃建筑职业技术学院)

GH1040合金为固溶强化型铁基高温合金，主要用于800℃以下的燃烧室，700℃以下的涡轮盘、轴和紧固件[1,2]。GH1040合金采用中频感应熔炼-锻造-轧制-拉拔工艺生产。在产品试制过程中，发现经过热轧后水冷的GH1040合金盘条表面出现了细小裂纹，笔者采用OEM、EPMA和EDS方法对GH1040合金盘条开裂原因进行了分析，并提出了改进建议。

1 理化检测结果

1.1化学成分

取经过热轧水冷的GH1040合金盘条进行化学成分分析，分析结果及标准化学成分见表1。其化学成分符合GB/T 14992-2005的要求。对国标中没有规定的其他元素含量进行了分析，发现Ti元素残留量较高。

表1 GH1040合金盘条的化学成分及标准值 %

1.2显微组织

对GH1040合金裂纹盘条进行了金相显微组织观察。图1a是未经腐蚀的表面宏观形貌，可见表面有明显的向内部扩展的径向裂纹；图1b为经过腐蚀后的金相组织，可见在金相显微镜下裂纹内部有清晰可见的夹杂物，经过热轧后水冷的盘条出现明显的纤维组织。

对图1b中箭头所指裂纹内部的夹杂物进行EDS分析(图2)，可以看出图1b中的夹杂物为TiN。

a. 腐蚀前 b.腐蚀后

图2 裂纹处夹杂物EDS分析

轧制后产生的明显纤维组织很可能是由于元素偏析引起的带状组织。对裂纹处进行EPMA线扫描分析，由图3可见在裂纹处C、Al、Si元素偏析较明显。对裂纹附近进行EPMA面扫描分析，结果同样佐证了C、Al、Si元素偏析明显的情况。

图3 裂纹处EPMA线扫描分析

2 开裂原因分析

经过热轧后水冷的GH1040合金盘条出现明显的纤维组织，这是一种典型的带状组织。对于带状组织的形成机理，研究者的观点基本一致，认为是元素偏析造成的[3]，由于铸锭在凝固过程中钢中各元素的扩散速度不一样，容易产生枝晶偏析[4]。方坯在进行轧制的时候，粗大的枝晶沿变形方向拉长，并逐渐与变形方向一致，形成碳及合金元素的贫化带与富化带彼此交替堆叠的带状区。带状组织的存在使钢的组织不均匀，并严重影响钢材性能[5]，降低钢的塑性[6]、冲击韧性[7,8]、断裂韧性[9]和断面收缩率，造成冷弯不合格和冲压废品率高[10]，热处理时钢材容易变形、淬火开裂[11]。研究表明，改善带状偏析的关键因素是控制其冷却速度[12]。

TiN是一种高硬度的脆性夹杂物[13,14]，在轧制过程中这种夹杂物发生碎裂。碎裂TiN中的微裂纹本身就是裂纹源，由于其规则的高硬度的棱角容易产生应力集中，因而也是GH1040合金盘条裂纹产生的主要因素。文献[13]表明在相同的平均尺寸条件下，TiN的危害性比相应的B类氧化物更大。对于脆性氧化物夹杂产生的危害可以通过氧化物夹杂形态控制技术加以解决，但对于钛夹杂的性质却无法通过工艺技术手段加以改变。

3 结论

3.1经过热轧水冷后的GH1040合金盘条开裂主要是由于元素的偏析而形成了带状组织，带状组织在经过热轧后水冷容易变形开裂，因此控制好其冷却速度十分重要。

3.2裂纹内部有明显的高硬度的脆性夹杂TiN，这种夹杂物在轧制过程中会发生碎裂。这是经过热轧水冷后的GH1040合金盘条开裂的主要裂纹源。特别是这种对氮含量有要求的合金中不应使用Ti来细化晶粒，以避免产生TiN夹杂，可考虑加入混合稀土来细化晶粒。

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