GH4169高温合金波纹管疲劳失效分析

路海燕?张斌

摘 要 用电子显微镜和扫描电子显微镜等微观测试分析技术对疲劳失效波纹管的金相组织、断口微观形貌进行综合分析。经过试验验证表明，波纹管的失效原因是材料局部异常晶粒长大及表面被酸腐蚀，在寿命试验中诱发疲劳裂纹源，在循环应力的作用下发生疲劳腐蚀开裂。

关键词 GH4169高温合金;波纹管;疲劳;失效

概述

波纹管是航空、航天、化工、船舶、核工程及各种仪器仪表、调节附件中重要的基础元件。它在外载荷（如均布力、轴向力、横向力和弯矩等）作用下，产生相应的位移，可作为弹性敏感元件、机械密封元件、介质隔离元件、连接元件盒温度补偿元件等使用。根据仪表、附件的工作性能和结构要求，波纹管都被组成波纹管组合件，有压力、真空、差动、充气和充液等波纹管组合件。

本文研究的波纹管组合件为压力波纹管组合件，是由一个波纹管与两端零件焊接而成的不可拆连接（图1）。工作时波纹管组合件感受压力而产生轴向位移，最大工作压力为0.4MPa。该波纹管组合件的工作介质为燃油，且最高工作温度为180℃，配套的波纹管材料选用了GH4169高温高弹性合金，该材料在高温介质下有良好的抗氧化、耐腐蚀能力，工艺性好，易于加工成形。考核波纹管组合件的指标主要是寿命，波纹管组合件的寿命试验条件为：常温下，产品内腔加压，压力从0.01MPa增加到0.4MPa，卸压后继续加压，循环75000次。抽取2件合格产品进行寿命试验，其中1#产品寿命试验进行了20000次时发现波纹管从波谷处开裂泄漏，2#产品进行了22000次时发现波纹管从波谷处开裂泄漏。笔者从失效波纹管的宏观形貌、显微金相组织、裂纹断口微观形貌进行分析，结合试验以探求波纹管失效原因。

1金相分析

1.1 失效波纹管宏观形貌

1#产品失效波纹管的裂纹位于第二个波谷，长度达到1/4圆周长（约10mm），沿周向延伸，深度贯穿波纹管壁厚（0.13mm）。

2#产品失效波纹管的裂纹位于第四个波谷，长度达到1/8圆周长（约5mm），沿周向延伸，深度贯穿波纹管壁厚。

1.2 金相观察

对1#失效波纹管金相观察，波谷及附近区域存在异常大晶粒（图1），其余区域晶粒大小正常。

对2#失效波纹管金相组织观察，波谷及附近区域晶粒均正常，未出现异常大晶粒，但表面呈锯齿状，有腐蚀痕迹（图2）。

1.3 裂纹及断口分析

将失效波纹管的裂纹用无损方式打开，断口呈线缘开裂，沿内表面向外表面扩展，裂纹起始撕裂棱线粗大，后期扩展平缓，呈大应力下疲劳开裂特征（图3）^[1]。

2原因分析

（1）失效波纹管波谷区域存在异常大晶粒，是因为波纹管热处理炉温局部超温所致。金属在冷态拉伸变形后进行固溶处理，在变形的组织中重新产生无畸变的等轴晶粒，即“再结晶”，当冷变形储存的能量在再结晶时释放完毕后，晶粒长大的驱动力来源于晶界迁移后体系总的自由能的降低，细晶的单位体积内晶界面积大，而长成粗晶时单位体积内晶界面积小，因此晶粒长大是一个自发过程。在更高的温度下，处于有利于晶粒长大周边环境的少数晶粒迅速吞并其他晶粒而长大，最终导致整体金属中有少数的比再结晶晶粒大几十倍至几百倍的特大晶粒存在。

（2）失效波纹管的表面呈锯齿状、有腐蚀痕迹，是因为该波纹管经过表面处理（酸洗）的时间过长导致。该波纹管组合件在最大压力0.4MPa时规定的位移仅为2.25mm±0.1mm，压力波组件的压力位移特性与波纹管的刚性及有效面积有关，波纹管的刚性范围仅为29.5N/mm±1N/mm，在现有的设备及工艺条件允许下，通过在管坯拉伸时厚度留裕量，成型后对波纹管进行表面处理（酸洗）控制波纹管的剛性。但波纹管选用的材料为高温合金GH4169，本身为耐腐蚀材料，经过酸洗后，厚度裕量大的波纹管表处时间过长导致表面过腐蚀，降低了波纹管的寿命及强度。

3纠正措施

根据试验后失效波纹管的原因分析，制定了两方面的纠正措施：

一方面，针对炉温不均匀现象，重新制作测温工装，将热处理炉加热区内各个位置的炉温偏差进行重新测量，根据测量结果，原炉膛中有一部分区域温度超过Ⅲ类炉±10℃的偏差要求，热处理时容易导致材料固溶不充分或温度过高晶粒异常长大。针对此现象，现已采取以下措施：

（1）根据测量结果对该炉重新划定有效加热区，在测试报告中明确界定有效加热区，并附于现场热处理炉资料中;

（2）对热处理料筐非有效加热区用铁丝网封住，保证零件不在该区域加热。

另一方面，针对波纹管表面过腐蚀的现象，取消了对波纹管的表面处理，通过使用耐磨损材料加工精度更高的旋拉模具控制管坯壁厚均匀度。

4措施验证

对波纹管进行工艺试验，将热处理设备炉温不均匀的区域隔离，并且取消表面处理。成型前的管坯及成型后的波纹管进行金相组织检查，并未发现晶粒异常长大及表面腐蚀现象。

本批波纹管焊接成组件后抽取了2件产品进行了寿命试验，均通过了寿命试验考核。

5结束语

热处理炉温不均匀造成高温合金薄壁产品热处理后晶粒异常长大，薄壁金属在热处理时应严格控制炉温均匀性;高温合金本身为耐腐蚀材料，使用高温合金材料的波纹管不建议使用表面处理控制刚性，表面腐蚀后降低了波纹管的寿命及强度。

参考文献

[1] 金慧根，王柏生.航空制造工程手册——弹性元件工艺[M].北京：航空工业出版社，1994：152.