Incoloy800镍基合金电热管弯管断裂原因分析

周 圣 褚艺光 何统统 王丙旭

（1. 杭州佐帕斯工业有限公司，浙江 杭州 310018；2. 浙江理工大学 机械工程学院，浙江 杭州 310018）

0 引言

Incoloy800镍基合金由于镍和铬元素含量较高，因此具有良好的导热、耐高温腐蚀、抗应力腐蚀和抗氧化性能，常用于生产电热管、热交换器和蒸馏器[1-5]。

目前，Incoloy800镍基合金是市场上电热管的主要原材料，电热管的主要生产流程包括：原始钢带检测→氩弧焊制管→（退火）→灌装镁粉→辊压减径→（退火）→弯管成型→缩径→压制→组装→密封→性能测试。材料开裂是电热管生产过程中的常见问题，多发生在弯管成型阶段，严重影响电热管的质量[6-8]。笔者对Incoloy800镍基合金电热管断裂样品进行了检验，综合分析了弯管成型过程中具体的开裂原因，并提出了相应的改进建议，为Incoloy800镍基合金电热管弯管成型工艺提供技术支持。

1 理化检验

1.1 宏观形貌

采用氩弧焊工艺将Incoloy800镍基合金钢带制成钢管，辊压后外径为10mm、壁厚为0.5mm，在弯管成型过程中出现开裂，开裂处均发生在高形变区域的最外侧，断裂样品如图1所示。

图1 断管样品宏观形貌

1.2 化学成分

从断裂样品上取样并进行化学成分分析，结果如表1所示。与Incoloy800镍基合金化学成分标准值进行对比后发现，所用材料的各元素含量均符合要求。

表1 断裂样品化学成分（质量分数，%）

1.3 金相组织

从断裂样品上切取金相试样，经过400-2000目砂纸研磨和金刚石抛光膏抛光，再采用氯化铁盐酸腐蚀液腐蚀表面，使用无水乙醇冲洗后烘干。使用VM3000I倒置金相显微镜观察微观组织。断裂样品的基体组织均为单一奥氏体，晶粒度等级分别为7.5级、7.5级和7级，如图2所示。

图2 断管样品显微组织

1.4 拉伸性能

使用WAW-100型万能材料试验机对原始钢带进行拉伸测试，测试过程依据GB/T 228.1—2021标准，五次测试结果（屈服强度σs、抗拉强度σb、延伸率δ）的平均值分别为262.6MPa，555.4MPa，43.2%（1号样品）、261.2MPa，550.7.4MPa，44.6%（2号样品）和264.7MPa，556.0MPa，42.1%（3号样品），符合具体技术要求（245MPa≤σs≤275MPa，530MPa≤σb≤580MPa，40%≤δ）。

1.5 显微硬度

使用XHV-1000T-CCD型维氏硬度计对原始钢带进行显微硬度测量，测量过程依据GB/T4340.1-2009标准，五次测量结果的平均值分别为148.2HV（1号样品）、147.6HV（2号样品）和148.5HV（3号样品），符合具体技术要求（≤150HV）。

1.6 断口形貌

使用TESCAN VEGA COMPACT扫描电子显微镜观察断管样品的断口表面形貌，发现断裂形式为韧性和脆性混合断裂，断裂前材料的局部区域发生塑性变形，形成韧窝状花纹和撕裂岭，其他区域出现尺寸较小的解理断裂平面，如图3所示。

图3 断管样品断口形貌

1.7 断裂原因分析

原因一：电热管弯管过程中，外侧管壁受拉应力作用，内侧管壁受压应力作用。当拉应力超过材料本身的抗拉强度时，外侧管壁将会开裂。实际生产中发现一部分电热管的断裂位置位于氩弧焊焊缝附近，经退火热处理后焊缝组织仍为柱状晶，柱状晶之间存在夹杂物和缩孔等缺陷，在弯管过程中，当焊缝处于外侧时，结合力较弱的柱状晶无法承受弯管时的局部高应力，如图4所示。

原因二：对断口形貌进行观察，发现断口处存在尺寸大小不一的孔洞和裂纹。在电热管弯管过程中，这些孔洞和裂纹周围会产生应力集中，增加裂纹的萌生和扩展速度，如图5所示。出现孔洞和裂纹的原因可能是合金在铸造过程中内部存在气孔和疏松，基体组织中存在夹杂物以及轧制过程中出现材料开裂。

2 结语

Incoloy800镍基合金电热管弯管断裂的主要原因是焊缝在弯管过程中处于外侧，在拉应力作用下出现开裂，以及基体中存在孔洞和裂纹，在应力集中处容易出现开裂。

建议对原材料和加工工艺进行以下三个方面的调整：（1）优化氩弧焊焊接工艺参数，提高焊缝力学性能，同时在弯管过程中，尽量避免焊缝处于外侧；（2）优化铸造和轧制工艺参数，减少基体中的缩松、缩孔和裂纹等缺陷；（3）优化热处理工艺参数，消除焊缝内柱状晶。