圖 1 膜盒組合件宏觀形貌
分享：膜盒組合件泄漏原因
膜盒組合件由多個(gè)金屬膜片精密焊接組合而成，作為一種彈性敏感元件，其在工作過(guò)程中主要用于感受壓力的變化，具有精度高、線性好、位移量大、靈敏度高和滯后小等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、壓力測(cè)試及自動(dòng)化等領(lǐng)域[2-4]。通常要對(duì)膜盒組合件進(jìn)行壓力循環(huán)試驗(yàn)，考察其彈性和抗疲勞性能。膜盒組合件泄漏的原因一般來(lái)源于膜片自身缺陷、焊縫缺陷、工作載荷或使用環(huán)境等。
以PH15-7Mo為代表的沉淀硬化不銹鋼兼有奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的耐蝕性和焊接性能，在固溶狀態(tài)下具有較好的加工成型性能，而在最終的熱處理狀態(tài)下，該鋼具有較高的強(qiáng)度和良好的綜合性能，使其適用于制造飛行器構(gòu)件、彈性元件、彈簧和閥膜等部件[5-8]。某膜盒組合件膜片由牌號(hào)為PH15-7Mo的沉淀硬化不銹鋼帶材經(jīng)碾壓、成型、固溶、切邊、沖孔和時(shí)效等工序加工而成。該膜盒組合件經(jīng)6萬(wàn)次壓力循環(huán)試驗(yàn)后發(fā)生泄漏，按照設(shè)計(jì)要求，該膜盒組合件能夠經(jīng)受20萬(wàn)次壓力循環(huán)試驗(yàn)，該泄漏事故屬于早期失效。為確定該膜盒組合件泄漏的原因，筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)泄漏原因進(jìn)行分析，并針對(duì)膜盒組合件的質(zhì)量控制提出了建議，以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
經(jīng)氣密性檢查，膜盒組合件泄漏部位位于壓力端的第3個(gè)膜片，膜盒組合件宏觀形貌如圖1所示。將膜盒組合件拆解后，泄漏膜片的內(nèi)、外表面形貌如圖2，3所示，圓圈處為泄漏位置。
圖 2 泄漏膜片內(nèi)表面宏觀形貌
圖 3 泄漏膜片外表面宏觀形貌
1.2 掃描電鏡（SEM）分析
在裂紋處截取試樣，將試樣置于SEM下觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：穿透性裂紋長(zhǎng)度約為2.5 mm，裂紋位于膜片半徑中部，沿徑向延伸，裂紋周圍比較潔凈，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡。
圖 4 泄漏膜片裂紋位置SEM形貌
膜片外表面未發(fā)現(xiàn)明顯的劃痕、刮痕、凹坑等表面缺陷，從膜片內(nèi)表面觀察，開(kāi)裂膜片裂紋位置表面SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：裂紋所在部位有兩處明顯的刮傷痕跡，分別命名為刮痕1和刮痕2，裂紋從刮痕處沿徑向向兩側(cè)延伸，最后連成一條裂紋。
圖 5 開(kāi)裂膜片裂紋位置表面SEM形貌
將開(kāi)裂膜片沿裂紋擴(kuò)展方向打開(kāi)后，用超聲波和無(wú)水乙醇對(duì)試樣進(jìn)行清洗和晾干，然后觀察裂紋的斷口特征，結(jié)果如圖6~11所示。由圖6可知：從整體觀察，斷口比較平齊，未見(jiàn)明顯的塑性變形，呈脆性斷裂特征，裂紋起源于膜片的內(nèi)表面，有兩處裂紋源區(qū)，分別命名為裂紋源區(qū)1和裂紋源區(qū)2，呈多源特征。兩處裂紋源區(qū)分別與圖5的膜片內(nèi)表面兩處刮痕相對(duì)應(yīng)，裂紋起源于刮痕根部，裂紋從膜片內(nèi)表面向外表面及兩側(cè)擴(kuò)展，可見(jiàn)明顯的擴(kuò)展棱線（見(jiàn)圖7,8）；裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞條帶特征（見(jiàn)圖9），裂紋快速擴(kuò)展區(qū)呈類解理與韌窩的混合特征（見(jiàn)圖10）；裂紋的最后開(kāi)裂區(qū)呈韌窩特征（見(jiàn)圖11）。
圖 6 裂紋斷口SEM形貌
圖 7 裂紋源區(qū)1的SEM形貌
圖 8 裂紋源區(qū)2的SEM形貌
圖 9 穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)SEM形貌
圖 10 快速擴(kuò)展區(qū)SEM形貌
圖 11 最后開(kāi)裂區(qū)SEM形貌
1.3 化學(xué)成分分析
采用碳硫分析儀和熒光光譜儀對(duì)開(kāi)裂膜片進(jìn)行化學(xué)成分分析。分別在開(kāi)裂膜片裂紋附近（位置1）及裂紋相對(duì)膜片中心的對(duì)稱位置（位置2）取樣，對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，其他元素均符合SAE AMS5520G-2009《15Cr-7.1Ni-2.5Mo-1.1Al溶液熱處理沉淀硬化的耐腐蝕耐熱鋼片、鋼帶、鋼箔和鋼板》對(duì)PH15-7Mo鋼的要求。
Table 1. 開(kāi)裂膜片的化學(xué)成分分析結(jié)果
| 項(xiàng)目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | S | Si | Mn | P | Cr | Ni | Mo | Al | |
| 位置1實(shí)測(cè)值 | 0.10 | 0.004 9 | 0.36 | 0.64 | 0.028 | 15.00 | 7.05 | 2.11 | 0.91 |
| 位置2實(shí)測(cè)值 | 0.094 | 0.003 2 | 0.32 | 0.58 | 0.030 | 15.01 | 6.99 | 2.05 | 0.96 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | ≤0.09 | ≤0.030 | ≤1.00 | ≤1.00 | ≤0.040 | 14.00~16.00 | 6.50~7.75 | 2.00~3.00 | 0.75~1.50 |
1.4 金相檢驗(yàn)
在開(kāi)裂膜片裂紋位置截取金相試樣，對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光和腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡觀察其微觀形貌，結(jié)果如圖12所示。由圖12可知：開(kāi)裂膜片的內(nèi)、外表面均有輕微增碳現(xiàn)象，而膜片的生產(chǎn)工序中無(wú)滲碳工藝，推斷在成型后的熱處理過(guò)程中，膜片表面受到了碳化物污染，造成表面增碳；膜片中心部位的顯微組織為馬氏體+金屬間化合物，顯微組織正常。
圖 12 開(kāi)裂膜片顯微組織形貌
1.5 硬度測(cè)試
在開(kāi)裂膜片裂紋附近截取硬度試樣，對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌、打磨和拋光后，用顯微硬度計(jì)測(cè)試基體材料的硬度，開(kāi)裂膜片的硬度分別為468，471，472，480，473 HV0.2，平均值為474 HV0.2，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SAE AMS 5520G—2009，膜片采用RH950制度進(jìn)行熱處理后的洛氏硬度應(yīng)滿足不小于45 HRC的要求，依據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》，將顯微硬度474 HV0.2換算成洛氏硬度，結(jié)果為47.4 HRC，符合技術(shù)要求。
2. 綜合分析
由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，膜盒組合件開(kāi)裂膜片的硬度和心部顯微組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求，化學(xué)成分中的C元素含量偏高，開(kāi)裂膜片的內(nèi)、外表面有輕微增碳現(xiàn)象，而膜片的生產(chǎn)工序中無(wú)滲碳工藝。通過(guò)質(zhì)量復(fù)查，膜片成型前材料化學(xué)成分和表面顯微組織正常，可以判斷膜片在成型后熱處理過(guò)程中受到碳化物污染，造成表面增碳和化學(xué)成分中的C元素含量偏高，導(dǎo)致膜片表面的脆性增強(qiáng)，抗疲勞性能降低。
膜片內(nèi)表面有兩處明顯的刮傷痕跡，裂紋起源于刮痕位置，沿徑向向兩側(cè)延伸，最后連成一條裂紋。斷口呈脆性斷裂特征，裂紋起源于膜片的內(nèi)表面，裂紋源區(qū)有兩處，呈多源特征，兩處裂紋源區(qū)分別與膜片內(nèi)表面兩處刮痕相對(duì)應(yīng)，裂紋起源于刮痕根部，裂紋從膜片內(nèi)表面向外表面及兩側(cè)擴(kuò)展，可見(jiàn)明顯的擴(kuò)展棱線，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞條帶特征，裂紋快速擴(kuò)展區(qū)呈類解理與韌窩的混合特征，裂紋最后開(kāi)裂區(qū)呈韌窩特征，說(shuō)明膜片的開(kāi)裂性質(zhì)為疲勞開(kāi)裂。
綜上所述，膜盒組合件第3個(gè)膜片開(kāi)裂的主要原因是膜片內(nèi)表面有兩處刮傷痕跡，引起局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂紋，在壓力循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中的交變應(yīng)力作用下，裂紋不斷向外表面及兩側(cè)擴(kuò)展，最后導(dǎo)致膜片發(fā)生疲勞開(kāi)裂。開(kāi)裂膜片的內(nèi)、外表面有輕微增碳現(xiàn)象，使膜片表面的脆性增強(qiáng)，韌性降低，加速了裂紋的形成與擴(kuò)展。
3. 結(jié)論及建議
（1）膜盒組合件發(fā)生泄漏的原因是壓力端的第3個(gè)膜片開(kāi)裂，開(kāi)裂性質(zhì)為疲勞開(kāi)裂。第3個(gè)膜片開(kāi)裂的主要原因是膜片內(nèi)表面有兩處刮傷痕跡，引起局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂紋，在壓力循環(huán)試驗(yàn)的交變應(yīng)力作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，膜片的內(nèi)、外表面有輕微增碳現(xiàn)象，加速了裂紋的形成與擴(kuò)展，最后導(dǎo)致膜片發(fā)生疲勞開(kāi)裂現(xiàn)象。
（2）建議嚴(yán)格控制膜片的表面品質(zhì)，規(guī)范工藝過(guò)程檢驗(yàn)程序，避免使用表面有缺陷的膜片。
（3）建議嚴(yán)格控制膜片制造過(guò)程的熱處理工序，防止膜片表面受到碳化物污染，發(fā)生表面增碳現(xiàn)象。
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