Inconel 600板材热轧开裂失效的原因分析

李 桂，杨 哲，杨 晗

(宝钛集团有限公司， 陕西 宝鸡 721014)

0 前 言

Inconel 600是一种典型的镍铬耐蚀合金，具有优良的耐腐蚀性、力学性能，良好的可加工性和焊接性能，可广泛用于化工、海洋装备制造、核电等行业[1，2]。有一批600板材在热轧生产时发生表面大面积开裂现象。其使用的板坯为真空感应加电渣重熔两步法熔炼铸锭经过锻造所得。板坯规格为240 mm×900 mm×Lmm，最终成品为24 mm×2 000 mm×Lmm的中厚板。工艺制定为采用二火轧制，一火开坯轧至100 mm，二火轧至成品。在一火开坯过程中，横轧展宽几道次后即发生表面严重开裂现象，随即停止轧制，实测厚度150 mm，情况见图1。

1 分析方法

对发生断裂的板材进行取样，分析判断裂纹源位置[3]。沿着裂纹使用水切割切取100 mm×150 mm大小样板，断口位置处于中间，见图2。之后使用线切割破开。分别取样分析化学成分，同时取一块正常未开裂板材试样以作对比。另外观察正常及断裂位置的金相组织，使用扫描电镜观察断口形貌，同时对存在的夹杂物进行能谱分析，通过以上检测手段综合判定其断裂原因。

2 结果与分析

2.1 化学成分检验

该批断裂板材和正常完好板材试样的化学成分检验结果见表1。两者主化学成分均符合标准，无异常。区别在于杂质元素O和S。开裂板材S含量稍微高一点，但是区别不大，两者均小于0.005%，在安全线内，可以排除S的原因。两者的氧含量有显著差距，差1个数量级。氧在镍基合金中是有害元素， 以氧化物夹杂存在，对合金的加工性能和使用带来很大的危害[4，5]。对此将结合金相、能谱分析等加以论证。

表1 实验材料的化学成分(质量分数) %

2.2 金相组织检验

Inconel 600经过一火开坯轧制数道次之后即发生表面开裂，即刻停止轧制，水刀切开观察横截面。发现上下表面裂纹深度约10～20 mm，中心部完好。分别于表面、中心取样进行金相组织检验，见图3。图3a完好处存在混晶，其中大晶粒晶粒度为2.5级，小晶粒为9级。集中观察粗晶处(图3b中)表现很明显，大晶粒晶粒度为1.5～2.0级。对比分析2处组织，认为细小的晶粒为热轧大晶粒破碎发生动态再结晶形成的。

在表面开裂处即图3c中，可见裂纹周围有长条状和颗粒状的第二相。分析认为表面粗大的晶粒和第二相是导致开裂的原因。粗大晶粒在轧制时强大的拉应力作用下会发生撕裂。对于粗大晶粒的形成机制，根据所取不同部位的形貌，再结合实际的炉温和检测情况，认为并非是过热产生，而是铸锭原始晶粒粗大、板坯锻造比不足所导致，应该在熔炼、锻造工艺进行调整，将原始晶粒细化[6]。

2.3 非金属夹杂物

对材料中存在的异常相夹杂物进行能谱分析，颗粒状夹杂物见图4，能谱分析结果见表2。分析结果表明图4a中裂纹周围的灰褐色异常相能谱分析结果为Fe或Cr的氧化物。图4b、4c的分析结果表明异常的粒状第二相为氧化铝或铝镁氧化物。

表2 夹杂物的化学成分

裂纹处另外一种呈现长条状相，见图5，能谱分析结果见表3，为金属的碳化物和金属氧化物的混合物。

表3 夹杂物的化学成分(质量分数) %

2.4 断口分析

断口扫描照片见图6，比对镍合金断口形貌，其存在可见的夹杂物[7]。

2.5 工艺调整效果验证

依据上述失效原因分析结果，采取以下工艺改进：对真空熔炼设备进行修整改良，使得真空度得以提高，进一步确保能有效降低氧含量，改进后得到的合金铸锭氧含量均在60×10-4%以内；镍合金常选用稀土元素等作为变质剂进行细化晶粒[8-10]。在熔炼时加入细化剂进行变质处理，同时锻造时采用两墩两拔，加大锻造比，最终有效提高了产品质量。经过20 t坯料的批次性生产，成型性良好，没有出现开裂现象。

3 结 论

(1)熔炼控制不当导致氧含量高，形成氧化物夹杂偏聚于晶界，在加工时在应力作用下发生开裂并扩展是Inconel 600发生开裂的主要原因。

(2)熔炼工艺、锻造比不足两者产生的粗大晶粒是Inconel 600板材表面撕裂的另一原因。在熔炼时加入细化剂进行变质处理，以及加大板坯锻造比，采用多次墩粗拔长有利于细化晶粒，有效地改善了加工性能。

(3)经过对应的工艺改进，消除了开裂情况，得到了质量良好的板材。