亞快速凝固奧氏體不銹鋼組織形成及演化規(guī)律研究.pdf

1、亞快速凝固是介于近平衡低速凝固和遠(yuǎn)離平衡的快速凝固之間的過渡區(qū)，典型亞快速凝固的冷卻速率范圍為100-103K/s。在這個(gè)區(qū)間凝固體系的凝固組織形態(tài)、溶質(zhì)元素分布及界面穩(wěn)定性等重要特征都發(fā)生了顯著的變化，出現(xiàn)了許多新現(xiàn)象和新問題。因此，研究亞快速凝固的機(jī)理對(duì)于完善凝固理論和解決與凝固相關(guān)的實(shí)際問題都具有十分重要的意義。本文首先從理論上對(duì)奧氏體不銹鋼的凝固順序進(jìn)行了預(yù)測(cè)，然后采用定向凝固、水冷銅模及真空吸鑄方法系統(tǒng)研究了Cr-Ni奧氏體不

2、銹鋼亞快速凝固范圍內(nèi)組織形成及演化過程。
　　依據(jù)最高界面溫度準(zhǔn)則分析了溫度梯度對(duì)界面穩(wěn)定性的影響，并對(duì)奧氏體不銹鋼的凝固順序進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明：隨著溫度梯度的降低，平界面更易失穩(wěn)向低速胞狀演化；平界面生長(zhǎng)范圍逐漸減小，而胞/枝界面生長(zhǎng)范圍逐漸擴(kuò)大。對(duì)于AISI304不銹鋼，當(dāng)生長(zhǎng)速率低于臨界值4.2cm/s時(shí)，鐵素體將以胞/枝形貌穩(wěn)定生長(zhǎng)；當(dāng)生長(zhǎng)速率高于4.2cm/s時(shí)，奧氏體的界面溫度將會(huì)超過鐵素體的界面溫度，將取代穩(wěn)定

3、鐵素體相成為初生相。對(duì)于合金18Cr-8Ni來說，不存在初生相競(jìng)爭(zhēng)問題，即鐵素體始終為初生相。合金18Cr-8.76Ni、18Cr-9Ni、18Cr-10Ni、18Cr-11Ni凝固過程均存在凝固順序轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，隨著合金Cr/Ni比的提高，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的臨界生長(zhǎng)速率逐漸提高，奧氏體作為初生相析出越困難。
　　在亞快速凝固低速階段采用定向凝固手段開展了一系列工作。結(jié)果表明定向凝固過程中AISI304不銹鋼鐵素體形貌復(fù)雜多樣，隨著

4、冷速的增加，依次出現(xiàn)塊狀鐵素體、骨架狀鐵素體、板條/類板條鐵素體、胞狀鐵素體以及條帶狀鐵素體。
　　塊狀鐵素體形成于冷速較低的固態(tài)相變過程。首先兩相組織以團(tuán)簇狀從熔體中析出，鐵素體呈板條形貌。在固態(tài)相變過程中，由于奧氏體長(zhǎng)大時(shí)出現(xiàn)局部成分偏析，隨著溫度的降低奧氏體變得不穩(wěn)定，在板條鐵素體間不穩(wěn)定的奧氏體區(qū)域析出許多細(xì)小的團(tuán)簇狀鐵素體，固態(tài)相變結(jié)束后形成塊狀鐵素體。
　　揭示了板條/類板條組織的形成過程，并對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行了分

5、析。兩相共生生長(zhǎng)組織形成時(shí)，鐵素體首先從熔體中形核長(zhǎng)大，隨著熔體過冷的增加，在鐵素體達(dá)到穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)前，奧氏體在鐵素體前沿形核并長(zhǎng)大。奧氏體相形核后，熔體相對(duì)鐵素體是過冷的，因此，平衡凝固的枝晶鐵素體被抑制，兩相將同時(shí)從熔體中長(zhǎng)大，形成了兩相耦合生長(zhǎng)組織，固態(tài)相變后即為板條組織。在AISI304不銹鋼較高冷卻速率下的定向凝固實(shí)驗(yàn)中，觀察到了胞狀鐵素體及條帶狀分布的鐵素體。胞狀鐵素體是由較高冷卻速率條件下枝晶鐵素體二次臂退化演變來的；條帶狀鐵

6、素體的形成是由于鐵素體枝晶生長(zhǎng)過程中，一次臂間距的不穩(wěn)定性及選擇導(dǎo)致的。
　　在亞快速凝固高速階段采用真空吸鑄方法開展了研究工作。鑄造薄帶的組織由兩側(cè)的柱狀晶及中心的等軸晶組成；在薄帶表層由于極高的冷卻速率，初生相由柱狀鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪願(yuàn)W氏體；在薄帶中心由于散熱方式的變化，由柱狀鐵素體過渡為等軸鐵素體。鑄模材料對(duì)薄帶的宏觀組織中柱狀區(qū)所占比例有著重要的影響，導(dǎo)熱性能好的材料組織中柱狀區(qū)比例較高。在真空吸鑄時(shí)，合金的熔煉條件對(duì)其宏觀

7、組織的組成有著重要的影響，熔煉坩堝的隔熱效果越好，其組織中柱狀晶所占的比例越大。
　　采用楔型縫隙結(jié)晶器研究了冷卻速率及合金成分對(duì)奧氏體不銹鋼組織的影響。對(duì)于18Cr-7Ni和18Cr-8Ni合金，較低冷卻速率下出現(xiàn)魏氏組織，較高冷卻速率下鐵素體為骨架狀；對(duì)于18Cr-9Ni、17.93Cr-8.76Ni、18.77Cr-10.59Ni及AISI304不銹鋼，均未出現(xiàn)魏氏組織。在冷卻速率較低時(shí)，鐵素體均以骨架形態(tài)出現(xiàn)，較高冷卻速率