焊缝污染脆化
保护不良使焊缝吸收氧、氮，硬度升高、塑性下降，在冷却或后续受力时开裂，常伴有气孔。
两类合金的失效特点
钛的耐蚀性来自表面致密的二氧化钛膜，在海水、湿氯气和许多氧化性介质中几乎不腐蚀；比强度高、弹性模量较低。但钛是活泼金属，高温下会大量溶解氧、氮和氢，这些间隙元素使钛变硬变脆；钛的耐磨性差，配合面容易咬合粘着；钛合金的疲劳性能对表面状态和缺口十分敏感。
镍基合金分为两大类。一类是以铬、钼、钨等固溶强化的耐蚀合金，用于化工和海洋环境，关注的是局部腐蚀和焊接热影响区的敏化；另一类是依靠细小析出相强化的高温合金，用于叶片、轮盘、燃烧室和高温紧固件，关注的是高温下组织退化、蠕变、热疲劳和热腐蚀。两类合金都对焊接热裂较为敏感，也都怕硫、铅、锌等低熔点物质的污染。
这些合金的失效往往由多种因素叠加造成，例如组织已经退化的叶片在共振下疲劳断裂，或者吸氢变脆的钛管在振动下开裂。分析时需要分清材料状态的变化和最终的断裂机理，两者对应的改进措施不同。
钛及钛合金：组织类型与氢化物脆化
钛在低温下为密排六方结构的α相，高温下为体心立方的β相。铝、氧、氮稳定α相，钒、钼、铁、铬等稳定β相。按室温组织，钛材分为工业纯钛、α及近α合金、α加β两相合金和β合金，它们的强度、韧性、焊接性和对氢的敏感性不同。
α相对氢的固溶度很低，钛吸收的氢超过固溶度后，会以针状或片状氢化物析出。氢化物硬而脆，使塑性和冲击韧性大幅下降，在应力集中处择优析出时可导致低应力下的延迟开裂。吸氢的常见途径包括：酸洗液配比不当、阴极保护或与更活泼金属接触时钛作为阴极、热的含氯介质中发生缝隙腐蚀、高温含氢气氛，以及表面嵌入的铁颗粒为氢进入提供通道。
| 类型 | 组织特点 | 主要优点 | 失效关注点 |
|---|---|---|---|
| 工业纯钛 | 单一α相，强度随氧含量升高 | 耐蚀性好，成形性和焊接性好 | 吸氢后氢化物脆化，热浓氯化物中缝隙腐蚀，咬合磨损 |
| α及近α合金 | 以α相为主，含铝等α稳定元素 | 高温强度和抗蠕变性能较好 | 保载疲劳敏感，富氧表层，部分环境下应力腐蚀 |
| α加β两相合金 | 两相组织，可热处理调整形态 | 强度与韧性综合性能好，应用最广 | 组织形态影响疲劳和断裂韧性，微动疲劳，热处理和锻造偏差 |
| β合金 | 以β相为主，可时效强化 | 强度高，冷成形性好 | 时效状态控制，析出相不均匀导致韧性下降 |
钛合金：表面污染层、焊接与环境开裂
钛在空气中高温加热时，氧向内扩散形成富氧的α层。这一层硬度明显高于基体、几乎没有塑性，在受力时首先开裂，并把裂纹引入基体，严重降低疲劳性能。锻造、热处理和热成形后必须通过机加工或化学铣切将其去除，金相和显微硬度梯度可以判断是否残留。
焊接时，钛在高温下对空气污染极为敏感，焊缝和热影响区必须在惰性气体保护下冷却到较低温度。焊缝表面颜色反映了氧化程度：银白色表明保护良好，浅黄色为轻微氧化，蓝色、紫色说明氧化加重，灰白色粉状氧化层则表示严重污染，焊缝已经变脆。颜色判断需要结合硬度和弯曲试验。
咬合与微动损伤
钛的配合面在滑动或振动下容易粘着撕裂，叶片榫头、螺纹和销连接处的微动磨痕常成为疲劳裂纹源。
热盐应力腐蚀
表面附着盐类的钛合金在较高温度下承受拉应力时可能开裂，常见于受热部件，清除盐类沉积是主要预防手段。
特殊介质与接触致脆
钛在无水甲醇等特定介质中存在应力腐蚀风险；镀镉、镀银零件与钛合金接触时，在一定温度和应力下可能引起金属致脆。
镍基高温合金：服役中的组织劣化
析出强化镍基合金的强度来自基体中大量细小、均匀的强化相，以及晶界上分布适当的碳化物。在高温和应力长期作用下，这些组织会逐渐变化，强化效果下降，蠕变和疲劳抗力随之降低。组织变化的类型和程度，记录了零件实际经历的温度和时间，是判断超温和评估剩余寿命的重要依据。观察这些细节通常需要扫描电镜，普通光学金相往往分辨不出强化相的形态。
| 劣化现象 | 组织特征 | 提示的服役状况 |
|---|---|---|
| 强化相粗化与筏化 | 强化相颗粒长大，在应力作用下连成垂直或平行于应力方向的筏状 | 长期高温服役，温度越高、时间越长越明显 |
| 强化相溶解后细小再析出 | 粗大强化相之间出现大量极细小的二次析出相 | 曾短时超过强化相溶解温度后冷却，是超温的有力证据 |
| 晶界碳化物链状析出 | 初生碳化物分解，晶界形成连续链状或膜状碳化物 | 长期高温服役，晶界韧性下降 |
| 有害金属间相析出 | 片状或针状的拓扑密排相 | 成分偏上限或长期在特定温度区间服役，塑性和持久强度下降 |
| 蠕变孔洞与微裂纹 | 垂直于主应力方向的晶界上分布孔洞，逐步连成裂纹 | 蠕变损伤已进入后期 |
| 初熔 | 晶界或枝晶间低熔点区域熔化后重新凝固 | 严重超温，零件强度大幅丧失 |
镍基高温合金部件在组织劣化尚未产生蠕变孔洞时，有时可以通过恢复热处理使强化相重新分布，但是否可行需要根据具体合金和损伤程度评估。
镍基合金：热腐蚀与涂层退化
热腐蚀是熔融盐沉积物加速的高温腐蚀，与单纯的高温氧化有本质区别。燃料中的硫、空气或燃料带入的钠和氯，在部件表面形成硫酸盐沉积物，熔融后破坏保护性氧化膜。较高温度下的热腐蚀表现为疏松的氧化层下方合金内部出现硫化物颗粒和贫铬区；较低温度下的热腐蚀则由低熔点的混合硫酸盐共晶引起，形成局部坑状腐蚀。燃用含钒燃料时，钒酸盐沉积会造成另一种严重的熔盐腐蚀。
高温部件常采用铝化物涂层或包覆涂层，部分还有隔热陶瓷涂层。涂层在服役中通过氧化逐渐消耗，同时与基体相互扩散，富铝相减少直至失去保护作用；隔热涂层可能因粘结层氧化和热循环而剥落，使基体温度骤然升高。涂层失效往往是基体超温和热腐蚀的起点。
- 保留表面沉积物，用能谱分析钠、硫、钒、氯、钾等元素，是判断热腐蚀的基础。
- 截面观察腐蚀前沿是否有硫化物颗粒和贫化区，区分热腐蚀与一般氧化。
- 测量剩余涂层厚度和扩散区组织，判断涂层是正常消耗还是过早失效。
- 耐蚀镍合金在化工介质中，还要关注镍钼合金遇氧化性杂质快速腐蚀、焊接热影响区析出相引起的晶间腐蚀等问题。
镍基合金：焊接热裂、应变时效开裂与污染致脆
镍基合金焊缝凝固时，铌、钛、硫、磷、硼等元素在枝晶间偏析，形成低熔点液膜，焊接热裂倾向明显高于碳钢。热裂的类型与发生时机不同，对应的改进方向也不同。
镍及镍基合金在高温下对硫极为敏感。机油、润滑脂、记号笔和蜡笔、切削液中的硫在焊接或热处理加热时渗入晶界，形成低熔点的镍硫共晶，使材料沿晶开裂。铅、锌等低熔点金属的污染也有类似危害。焊前和热处理前彻底清洁表面，是镍基合金加工中必须执行的要求。
| 裂纹类型 | 发生时机与位置 | 形貌与主要影响因素 |
|---|---|---|
| 凝固裂纹 | 焊接过程中，焊缝中心或弧坑 | 沿枝晶间，杂质和偏析元素多、焊缝形状不利、拘束大时易发 |
| 热影响区液化裂纹 | 焊接过程中，紧邻熔合线的热影响区 | 晶界碳化物或析出相局部熔化形成液膜，晶粒粗大时更敏感 |
| 失塑裂纹 | 多层焊时，焊缝金属在再次受热区 | 沿晶界的短小裂纹，与高铬镍基焊缝金属在中高温区间晶界塑性下降有关 |
| 应变时效开裂 | 焊后热处理加热过程中或高温服役初期，热影响区 | 铝、钛含量较高的析出强化合金中，析出强化与应力松弛同时发生，应变集中在晶界导致开裂；以铌为主要强化元素的合金析出较慢，敏感性较低 |
| 硫污染开裂 | 焊接或热处理加热时，表面向内沿晶 | 表面接触含硫物质，晶界形成低熔点共晶 |
疲劳、振动与其他服役开裂
叶片、轮盘和高温紧固件的失效中，疲劳占很大比重。叶片的高周疲劳往往与振动直接相关：气流激振、转速接近叶片固有频率或阻尼结构失效，都会使叶片在共振下迅速开裂，断口疲劳区平坦细腻，扩展区较大而最终断裂区小，说明载荷应力水平不高但循环次数很多。热机械疲劳则来自启停时的温度与应变循环，裂纹多出现在冷却孔、前缘和截面突变处，裂纹内常有氧化物。叶片榫头和轮盘榫槽的接触面在振动下发生微动，是另一类常见的疲劳起源。
钛合金叶片和结构件同样以疲劳失效为主。近α合金在峰值应力下保持一段时间的载荷循环中，可能出现保载疲劳，断口上有准解理的小平面。表面加工损伤、富氧层残留和微动磨痕都会大幅降低钛合金的疲劳强度，喷丸和合适的表面处理有明显改善作用。
耐蚀镍合金还存在环境开裂问题。例如铬含量较低的镍铬铁合金在高温高纯水中会发生沿晶应力腐蚀，部分镍合金在高温浓碱中也有开裂倾向。这类问题需要结合介质化学和应力状态专门分析。
分析要点与常用检验项目
- 钛设备避免与活泼金属形成电偶，控制酸洗工艺，热的含氯介质中选用耐缝隙腐蚀的钛材。
- 钛件热加工后彻底去除富氧层，焊接时保证正反面和拖罩的惰性气体保护。
- 镍基高温部件严格控制运行温度，定期检查涂层，净化燃料和进气以减少热腐蚀。
- 焊接析出强化镍基合金时选择合适的焊前状态，焊后热处理快速通过析出温度区间，降低拘束。
- 镍基合金焊接和热处理前清除油脂、标记和一切含硫、含低熔点金属的污染物。
- 对叶片等振动敏感部件进行频率校核，保证阻尼结构完好，减少榫头微动。
- 收集服役与制造资料运行温度及超温记录、启停次数、燃料和介质成分、涂层与修理历史、焊接和热处理记录。
- 宏观与沉积物检查记录氧化色、沉积物分布和断口特征，沉积物先取样保存，不要清洗掉。
- 成分与间隙元素核对合金成分；钛合金测定氢、氧、氮含量，镍基合金关注硫等杂质元素。
- 金相与电镜钛合金观察相形态、氢化物和富氧层；镍基合金在扫描电镜下评价强化相形态、晶界碳化物、有害相和蠕变孔洞。
- 硬度与断口测显微硬度梯度判断表面污染和焊缝脆化，扫描电镜断口区分疲劳、蠕变、沿晶开裂和氢化物脆断。
北京与杭州的分工
北京团队负责现场调查、振动相关测试和综合分析；需要实验室仪器分析的部分，可由集团杭州实验室承接。具体由哪个实验室完成哪些项目、报告是否带 CMA、CNAS 标志，在方案和报价中写明。
常见问题
钛焊缝颜色发蓝、发灰，还能用吗？
焊缝颜色反映氧化程度。银白色和浅黄色一般表示保护良好或轻微氧化；蓝色、紫色说明氧化加重；灰白色粉状表面表示严重污染，焊缝已变脆。具体是否可用要按技术要求判定，并可通过硬度和弯曲试验确认。
钛合金零件为什么会突然变脆？
最常见的原因是吸氢形成氢化物，其次是高温加热形成的富氧表层未去除，以及焊接时氧、氮污染。可以通过金相观察氢化物、测定氢氧氮含量和显微硬度梯度来判断，并追查酸洗、电偶、阴极保护和加热工艺。
镍基合金叶片断了，怎么判断是超温还是疲劳？
两者常同时存在，需要分开看。断口特征判断最终断裂机理是疲劳、蠕变还是过载；扫描电镜下的强化相形态、晶界碳化物和孔洞判断材料是否经历超温或长期劣化。超温削弱材料后，振动疲劳往往成为最终的断裂方式。
镍基合金在焊后热处理时开裂，是什么原因？
多为应变时效开裂：在加热过程中强化相析出与焊接残余应力松弛同时发生，应变集中在热影响区晶界导致开裂，铝、钛含量较高的合金更敏感。另外还要排除表面硫污染。改进措施包括调整焊前状态、加快升温和降低拘束。
钛合金和镍基合金样品送检时要注意什么？
不要清洗表面沉积物和氧化物，它们是判断热腐蚀和超温的依据；不要用记号笔、蜡笔直接标记断口附近；切割时远离断口并充分冷却，避免引起组织变化。同时提供运行温度、介质、涂层和修理记录。