分享：反应釜焊缝开裂原因

某航空发动机叶片脱芯用反应釜在使用3个月后出现明显渗漏现象。该反应釜的釜身材料为304不锈钢，转接部位采用焊接工艺，渗漏部位处于该焊缝附近。反应釜的失效部位常见于焊缝、釜底[1-3]等。笔者采用一系列理化检验方法对该反应釜进行分析，查明了其开裂原因，并提出了改进建议，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

开裂反应釜的宏观形貌如图1所示，开裂位置为靠近釜底处。 

图  1  开裂反应釜的宏观形貌

反应釜与釜身通过焊接连接，焊接前在釜内壁各预制了一层镍板，然后在外部实施焊接，形成外焊缝。为增加内部密封性，厂商在完成外部焊接后，在内壁又增加了一层镍板（即附加镍板），然后在其上下两处实施焊接，于内壁形成上焊缝和下焊缝（见图2）。 

图  2  焊接结构示意

使用内窥镜检查釜内裂纹分布情况，结果如图3所示。由图3可知：共发现4处裂纹，其中位置1的裂纹出现在下焊缝，位置2~4的裂纹出现在上焊缝，4处裂纹均在焊道中部，裂纹附近呈较明显锈蚀色。 

图  3  釜内裂纹的宏观形貌

釜外部共有两处发生区域性渗漏，分别与内部位置1，2，以及位置3，4的侧焊缝裂纹处相对应（见图4）。外部裂纹主要沿焊缝边缘的焊趾部位扩展，渗漏区域附近不锈钢釜体发生严重锈蚀，可见大量褐色锈蚀产物附着。 

图  4  釜外部裂纹宏观形貌

取下部分附加镍板后，观察釜内壁的宏观形貌如图5所示。由图5可知：外焊缝裂纹完全沿焊趾边缘扩展；附加镍板的焊缝边缘裂纹为位置3的裂纹；预制镍板未能完全覆盖住不锈钢釜体，在外焊缝附近有多处裸露，若附加镍板开裂后，釜内的溶液可以直接接触到釜体的焊缝位置。 

图  5  取下部分附加镍板后釜内壁的宏观形貌

经观察，位置1~4各外焊缝断口特征一致，各内壁焊缝断口特征一致，选取位置3为代表进行分析。 

将内壁上焊缝裂纹人工打开，断口清洗前，断口表面呈灰色+红褐色，表面较脏，可见较多附着物；使用铬酸-硫酸溶液清洗断口后，表面相对干净，断面呈暗灰色（见图6）。 

图  6  内壁上焊缝裂纹打开后断口宏观形貌

将外焊缝裂纹人工打开，断口清洗前，断口表面呈红褐色，表面较脏，可见较多泥纹状的腐蚀产物；使用铬酸-硫酸溶液清洗断口后，表面相对干净，断面呈黄灰色（见图7）。 

图  7  外焊缝裂纹打开后断口宏观形貌

1.2   扫描电镜（SEM）及能谱分析

内壁断口清洗后的SEM形貌如图8所示。由图8可知：断口可见典型的柱状晶轮廓，裂纹沿焊缝区域的柱状晶粒晶间开裂；晶面上氧化痕迹较严重。对清洗后断口表面进行能谱分析，发现O元素含量较高（质量分数为25%）。 

图  8  内壁断口清洗后SEM形貌

外部断口清洗后SEM形貌如图9所示。由图9可知：断口处可见二次裂纹，断口整体呈“冰糖状”的沿晶断裂特征。对清洗前断口进行能谱分析，得到O元素质量分数为40%，K元素质量分数为15%。 

图  9  外部断口清洗后SEM形貌

1.3   金相检验

沿断口截取金相试样，将试样进行打磨、抛光、腐蚀处理，试样的低倍形貌如图10所示。由图10可知：内壁预制的镍板并没有完全覆盖住釜体钢板的焊缝表面；A区为外焊缝裂纹，沿焊缝边缘（即焊接热影响区）开裂，逐渐穿透釜体钢板；B区为釜体钢板主体区域；C区为附加镍板的焊缝裂纹位置。 

图  10  金相试样的低倍形貌

A区显微组织形貌如图11所示，可见裂纹沿晶界开裂，且主裂纹还伴随有裂纹分叉的现象。B区釜体钢板的组织为奥氏体+变形滑移线，为典型的奥氏体不锈钢组织（见图12）。C区附加镍板焊缝区域均呈柱状晶形貌，镍板断口附近的焊接组织呈柱状晶形貌，且在焊缝组织的内部还可见沿晶开裂的微裂纹（见图13）。 

图  11  A区显微组织形貌

图  12  B区显微组织形貌

图  13  C区显微组织形貌

2.   综合分析

反应釜发生渗漏故障源于其存在两类开裂：一类是内部附加镍板的焊缝（下称内焊缝）中部开裂，另一类是外部不锈钢板的焊缝（下称外焊缝）焊趾开裂。 

内焊缝裂纹沿焊缝中部扩展，断口呈沿柱状晶开裂特征，焊缝内部存在沿晶微裂纹。断口表面氧化较重。说明内焊缝存在焊接不当产生的热裂纹。 

外裂纹沿焊趾边缘扩展，其主要沿焊接热影响区扩展。断面腐蚀严重，可见泥纹花样，清洗后可见典型的“冰糖状”沿晶断裂特征。断面可见二次裂纹，主裂纹分叉扩展。反应釜在实施叶片脱芯作业时，釜内主要是KOH等碱性溶液，这与能谱分析结果显示的断口表面有较高含量K元素相吻合。研究表明[4-6]，304不锈钢在高温碱性溶液中存在应力腐蚀倾向。说明外焊缝裂纹性质为应力腐蚀裂纹。 

通过反应釜的裂纹分布情况可知，釜内部有4处裂纹，外部渗漏分为2块区域，其与内部裂纹的位置是对应的。从结构关系上看，如果内部的附加镍板无裂纹，釜内的溶液则接触不到外焊缝，不可能造成腐蚀开裂。因此判断，内焊缝的焊接热裂纹是造成反应釜泄漏的根本原因。 

附加镍板使用纯镍材料，存在较强的焊接热裂纹倾向。因为纯镍的原材料中含有微量的S、P等杂质元素，焊接后熔融区的镍金属从液态开始冷却凝固，该过程中S、P元素与Ni元素易形成低熔点共晶相，沿晶界析出，并形成液态薄膜，降低了晶界的强度。随后在焊接残余应力和冷却收缩应力的作用下，材料发生沿晶开裂，即热裂纹。 

由于焊接过程的热影响，奥氏体不锈钢焊缝附近组织易发生敏化，碳化物沿晶界析出，形成微通道，导致腐蚀介质渗透进入晶界，使基体发生沿晶开裂，成为腐蚀的薄弱点。外焊缝裂纹在焊接热影响区内沿晶扩展。 

反应釜将预制镍板压在焊缝区域，目的是增加保护层，防止釜内腐蚀介质接触到不锈钢板，增加釜体的耐腐蚀能力。但是，经检查发现，预制镍板并未完全覆盖不锈钢釜体。在这种状态下，一旦腐蚀介质侵入，反而会满足电偶腐蚀的条件，加速钢结构的腐蚀。 

综合以上分析可知，反应釜内部的附加镍板存在原始焊接热裂纹缺陷，且预制镍板未完全覆盖住釜体内壁，使得釜内的高温碱液直接腐蚀外焊缝。外焊缝热影响区域存在一定程度的敏化，在加工和焊接残余应力，以及冷热交替应力的作用下，外焊缝发生应力腐蚀开裂，最终导致釜体发生渗漏。 

3.   结论及建议

反应釜发生渗漏故障的原因是内部附加镍板的焊缝中部开裂，以及外部不锈钢板的焊缝焊趾开裂。内焊缝裂纹性质为焊接热裂纹，外焊缝裂纹性质为应力腐蚀裂纹。由于反应釜内部的附加镍板存在原始焊接热裂纹缺陷，且预制镍板未完全覆盖住釜体内壁，使得釜内的高温碱液直接腐蚀外焊缝。外焊缝热影响区域存在一定程度的敏化，在加工和焊接残余应力，以及冷热交替应力的作用下，外焊缝发生应力腐蚀开裂。 

建议加强反应釜焊接工艺设计，避免发生介质隔绝、腐蚀敏感、焊接缺陷等问题。

文章来源——材料与测试网