基于Thermo-Calc的310S奥氏体不锈钢元素分配分析

邹 浩,张玉妥,,王 培

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院,沈阳 110159;2.中国科学院金属研究所 沈阳材料科学国家(联合)实验室,沈阳 110016)

合金在凝固过程中产生偏析,造成材料性能特别是韧性和抗腐蚀性下降,直接影响产品质量。随着材料合金化程度的提高,偏析愈加严重,成为影响其性能进一步提升的重要障碍[1]。合金在凝固过程中发生溶质再分配,溶质再分配是产生偏析的根本原因。在过去几十年中,有关高温合金凝固偏析行为的研究多有报道[2-4],对奥氏体不锈钢凝固过程的研究也相对较多[5]。310S奥氏体不锈钢是目前广泛使用的一种不锈钢,与其它不锈钢相比,310S奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能较好,常被用在高温炉胆、核电管道等大型设备上[6-8]。偏析是影响310S奥氏体不锈钢性能的一个重要因素,需严格控制。本文通过Thermo-Calc热力学软件,对310S奥氏体不锈钢在凝固过程中合金元素的分配行为进行研究,为该合金在实际应用过程中对偏析的控制提供理论依据,以期生产均质化合金。

1 计算方法

Thermo-Calc热力学软件是一款功能强大且灵活的软件,是根据“平衡相各组元化学势相等”和“Gibbs最小值”原则来计算相图、相变和相平衡的,是一个致力于为材料研究者提供方便的研究和工程应用的工具[9-11]。研究采用热力学软件Thermo-Calc中的TCFE8数据库对310S奥氏体不锈钢进行热力学计算,以便有效地分析310S奥氏体不锈钢的平衡相组成和溶质平衡分配系数K0(K0=CS/CL),式中CS表示平衡时固相中的溶质浓度,CL表示平衡时液相中的溶质浓度。计算所用试验钢化学成分见表1所示。

表1 310S奥氏体不锈钢的化学成分 wt.%

2 Thermo-Calc计算结果与分析

2.1 热力学平衡计算结果

平衡分配系数K0是凝固过程中溶质再分配研究的关键参数,在微观偏析的形成过程中起着重要作用。图1为通过Thermo-Calc热力学软件计算的试验用310S奥氏体不锈钢的平衡相组成。

图1 310S奥氏体不锈钢的相组成

由图1可以看出,310S奥氏体不锈钢在1404℃以上全是液相;温度降低时,在1404℃首先析出γ相,随着温度的继续降低,液相含量逐渐减少,γ相含量逐渐增多,在1322℃液相消失时会从γ相中析出MC相;凝固温度继续下降,仅存在γ相和MC相。因此可以得出结论:310S奥氏体不锈钢的液相线温度为1404℃,固相线温度为1322℃,凝固模式为L→L+γ→γ。

表2和图2分别是通过Thermo-Calc热力学软件计算的310S奥氏体不锈钢平衡凝固时所选不同温度下各元素在液相和固相中的含量及平衡分配系数K0。

由表2可以看出,随着凝固温度的降低,各元素在液相中的含量变化为:Cr和Nb元素的含量逐渐增加,Si和Mn元素的含量先增加后减少,Ni元素的含量先减少后增加;各元素在固相中的含量变化为:Cr、Nb、Si和Mn元素的含量逐渐增加,Ni元素的含量逐渐减少。可见液相中富集大量δ相形成元素,由于平衡凝固,使得与之平衡的固相中δ相形成元素也有所增加。由图2可以看出,随着凝固的进行,Si的平衡分配系数缓慢增加,且小于1,是正偏析元素,向枝晶间液相中富集的倾向逐渐减弱;Cr元素的平衡分配系数也小于1,但始终保持在0.87附近,向枝晶间液相中富集倾向基本相同;Ni元素的平衡分配系数稍大于1,有轻微向枝晶干固相中富集的倾向,也可认为没有发生偏析。随着凝固温度的降低,Cr和Ni元素的分配系数基本保持稳定,偏析行为不明显,Si元素的分配系数逐渐增加,愈接近于1,偏析行为减小。Si、Cr、Ni的偏析不明显或无偏析,因此以下主要讨论310S奥氏体不锈钢中微量元素Mn和Nb分配系数的变化。

表2 不同温度下液、固相中各元素含量及平衡分配系数

图2 310S奥氏体不锈钢的平衡分配系数与温度的关系

2.2 310S奥氏体不锈钢中Mn元素的偏析规律

通过Thermo-Calc热力学软件计算的310S奥氏体不锈钢平衡凝固时Mn元素在液相和固相中的含量如图3所示。由图3可以看出,随着凝固的进行,固相中Mn的含量逐渐增多,温度低于1360℃时Mn的含量不再发生变化;液相中的Mn含量在1400℃～1380℃区间内逐渐增多,在1380℃～1340℃区间内逐渐下降,1380℃时达到最大;温度高于1340℃凝固时,Mn在固相中的含量低于在液相中的含量。

从图2中Mn元素的平衡分配系数可以看出,平衡凝固时,随着凝固温度的降低,Mn元素的平衡分配系数平缓增加且小于1,说明Mn元素向枝晶间液相中富集且富集趋势减弱,是正偏析元素。Mn元素是γ相形成元素,在凝固过程中会产生向固相扩散的倾向,相应在液相中的富集程度就会减轻,造成液相中Mn元素的含量降低,从而造成分配系数逐渐上升。

图3 Mn元素在液、固相中含量随温度变化曲线

2.3 310S奥氏体不锈钢中Nb元素的偏析规律

图4显示了Thermo-Calc计算的平衡凝固时液相和固相中Nb元素的含量随温度的变化。

图4 Nb元素在液、固相中含量随温度变化曲线

由图4可以看出,随着温度的降低,Nb在液相和固相中的含量均呈逐渐增加趋势,但在固相中增加趋势较平缓,液相中增加趋势显著,且在整个凝固过程中,Nb在固相中的含量均低于在液相中的含量。

从图2中Nb元素的平衡分配系数可以看出,Nb元素在整个凝固过程中的平衡分配系数小于1,且均在0～0.1区间内浮动,是正偏析元素,向枝晶间液相中富集,说明Nb是310S奥氏体不锈钢中的主要偏析元素,偏析行为显著。而Nb元素的平衡分配系数在1380℃明显下降,是因为在凝固初期,液相和固相中Nb元素浓度梯度大,扩散速率快,Nb元素向枝晶间液相富集倾向增大,使得液相中Nb的浓度迅速增加,分配系数减小。之后随着凝固的进行,温度逐渐降低,Nb元素的这种扩散趋势逐渐减弱,使得分配系数又逐渐上升。

3 结论

(1)随着凝固温度的降低,固相中Mn的含量逐渐增多,液相中Mn的含量逐渐减少,Mn元素的平衡分配系数小于1,是正偏析元素,向枝晶间液相中富集且富集趋势减弱。

(2)随着凝固温度的降低,Nb在液相和固相中的含量均逐渐增加,但在固相中增加趋势较平缓,液相中增加趋势显著。Nb元素的平衡分配系数小于1,是正偏析元素,向枝晶间液相中富集。