燕輝，劉鴻彥，郗運富，陳欣，濮陸豐，羅瑯

（南京寶色股份公司， 江蘇 南京 211100）

1 背景

鈦合金材料比強度高、在適當的氧化性環(huán)境中可形成一種薄而致密的氧化膜，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，此外，還具有非磁性、線膨脹系數小等特點，廣泛用于航空航天、海洋、化學工業(yè)等領域。α型鈦合金具有良好的比強度、熱強性和熱穩(wěn)定性，焊接性能好，TA2無縫管廣泛用于換熱器中換熱管用途。

在某化工項目換熱器設備制作中所用TA2無縫換熱管在脹接過程中出現貫穿裂紋，脹接工藝選擇貼脹的方式，壁厚減薄率約2%～3%。失效管的材質為TA2，規(guī)格：Φ25×2，換熱管經冷軋、退火酸洗后供貨，成品換熱管出廠試驗報告均符合GB/T 3625-2007標準要求。

選取失效脹接裂紋換熱管進行失效分析，試驗主要是從換熱管的宏觀形貌、化學成分、力學性能、金相組織、斷口形貌及能譜分析等方面進行分析研究。

2 試驗過程

2.1 宏觀形貌與分析

(1)對失效管試樣進行宏觀觀察，裂紋方向為縱向，長度約24mm，裂紋已貫穿，對該批號進行線切割，觀察內外表面情況，如圖1所示。

圖1 失效換熱管內外壁宏觀圖片

從宏觀圖片可以看出，脹接實驗對失效換熱管內外表面損傷較為輕微，同時觀察到管外表面除貫穿裂紋位置外，在鄰近區(qū)域同時伴有一定長度和深度的縱向線性缺陷。

(2)對失效管試樣進行制樣，保留裂紋的原始斷口，對斷口進行多次清洗后，使用體視顯微鏡進行宏觀斷口的觀察，如圖2所示。

圖2 失效換熱管斷口宏觀圖片

從斷口宏觀形貌可以看出，斷口整體形貌呈灰色，失效管斷口近外壁斷口相較于其它部位顏色較暗，沿厚度方向相對光亮平坦，從宏觀形貌可以判斷管材失效由外壁向厚度方向擴展。

2.2 成分及力學性能試驗

2.2.1 化學成分

對失效管進行成分測試，測試結果如表1所示。

表1 失效換熱管化學成分 （質量百分比/%）

從表1可以看出，失效管成分結果均符合GB/T 3625-2007 TA2管成分要求。

2.2.2 力學性能

(1)拉伸性能試驗

取失效管換熱管進行拉伸性能測試，試驗標準按照GB/T 228.1-2010執(zhí)行，測試結果如表2所示。

表2 失效換熱管拉伸性能結果

從表2可以看出，失效換熱管抗拉強度及斷后伸長率均滿足標準要求，而規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2超出標準上限值規(guī)定。

(2)擴口、壓扁試驗

對失效管換熱管按GB/T 242-2007進行擴口試驗（使用60°錐，擴口管內徑至20%），按GB/T 246-2017進行壓扁試驗（壓扁常數取0.07），結果顯示壓扁試驗合格，擴口試驗內表面有裂紋顯示，如圖3所示。

圖3 擴口、壓扁試驗結果照片

(3)材料的硬度

對失效管斷裂處取樣按GB/T 4340.1-2009進行環(huán)向橫截面維氏硬度測試，硬度結果分別為189/186/190HV1，平均維氏硬度為188HV1。

2.3 金相組織

對失效管進行微觀組織觀察（見圖4所示），可以看出該失效換熱管組織為加工態(tài)組織，組織為非等軸晶粒，材料在熱處理中未完全再結晶，可以判斷換熱管在熱處理過程中未能進行充分熱處理，未獲得細小而均勻的結構，換熱管在熱處理過程中消除應力不足。

2.4 掃描電鏡及能譜分析

2.4.1 掃描電鏡觀察

圖4 失效換熱管金相組織 100×

圖5 失效換熱管斷口SEM照片

對失效管斷口樣品再次進行超聲波反復清洗，使用掃描電鏡對斷口不同位置進行觀察，如圖5所示，斷口近外表面已污染（制樣及現場脹接過程中未涉及斷口的污染），由近外表面→厚度方向可以看出有明顯的韌窩特征，材料在斷裂過程中表現為塑性斷裂，在近外表面韌窩數量有一定的增多。

2.4.2 能譜分析

圖6 近外壁斷口處能譜分析結

對已被污染近外表面進行能譜測試，測試結果如圖6所示，從能譜數據可以看出除鈦基體外，表面同時附著Cl、Ca、Na、Si、O等元素，制樣及現場脹接過程中未涉及斷口的污染。

3 分析與討論、建議

3.1 分析與討論

3.1.1 從宏觀形貌可以看出，脹接試驗未對失效管表面形成明顯損傷。失效TA2換熱管樣品除貫穿裂紋外，外表面鄰近區(qū)域伴有一定長度及深度的線性缺陷，斷口宏觀形貌顯示管材失效由外壁向厚度方向擴展。

3.1.2 失效TA2換熱管化學成分符合標準要求。換熱管拉伸性能抗拉強度及斷后伸長率滿足標準要求，但其規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2超出標準要求，擴口試驗結果有裂紋顯示，材料維氏硬度平均維氏硬度188HV1。

3.1.3 失效TA2換熱管金相組織為加工態(tài)組織，組織形態(tài)為非等軸晶粒，材料在熱處理中未充分結晶，未獲得細小而均勻的等軸α鈦組織。

3.1.4 對失效換熱管斷口進行掃描電鏡及能譜分析可以看出，在管材近外壁斷口平滑，斷口表面已被污染、腐蝕，表面附著Cl、Ca、Na、Si、O等元素；沿著厚度方向上可以看出厚度方向上整體呈韌窩斷口特征，表現出塑性斷裂的形貌，裂紋擴展至近外壁，直至貫穿。

3.2 建議

3.2.1 換熱管在熱處理中應在合適的加熱溫度并保證保溫時間，獲得細小和均勻的等軸α鈦組織，獲得良好的力學性能從而滿足標準要求。

3.2.2 對于換熱管應加強檢驗，盡可能地去除表面缺陷，減少裂紋源。

4 結論

失效換熱管在加工過程中熱處理不充分，屈服強度過高，在脹接的工況條件下沿管外壁缺陷處開裂，裂紋擴展直至貫穿。