Acta Metallurgica Sinica  2017 , 53 (1): 97-106 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00255

Orginal Article

电磁连铸对Incoloy800H合金铸坯内TiN分布和内裂纹的影响

王菲, 王恩刚, 贾鹏, 王韬, 邓安元

东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室 沈阳 110819

Effect of Electromagnetic Continuous Casting on TiN Distribution and Internal Crack of Incoloy800H Alloy Billet

WANG Fei, WANG Engang, JIA Peng, WANG Tao, DENG Anyuan

Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang 110819, China

文献标识码:  中图分类号 TG249.7, TG111.4 文章编号 0412-1961(2017)01-0097-10

通讯作者:  通讯作者 王恩刚,egwang@mail.neu.edu.cn,主要从事特种合金电磁连铸方面的研究

收稿日期: 2016-06-23

网络出版日期:  2017-01-22

版权声明:  2017 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

基金资助:  资助项目 国家自然科学基金项目No.50834009,教育部科学技术研究重大项目No.311014以及高等学校学科创新引智计划项目No.B07015

作者简介:

作者简介 王 菲,男,1986年生,博士生

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摘要

研究开发了Incoloy800H耐腐蚀合金立式电磁连铸制备方法,成功制备出截面为100 mm×100 mm的Incoloy800H连铸坯,并研究了其内部凝固组织、内部裂纹和TiN分布等物理现象。结果表明,常规立式连铸Incoloy800H铸坯的内部组织粗大、存在严重的内部裂纹和大量TiN夹杂物;采用立式电磁连铸后,制备的Incoloy800H合金连铸坯的中心等轴晶率从2.45%增加至41.45%,且中心等轴晶的平均晶粒尺寸由10.83 mm 减小至1.28 mm,并有效地消除了内部裂纹。TiN数量与分布的研究结果表明,立式电磁连铸条件下,铸坯中心的大尺寸TiN (大于2 μm)数量由3.71×10-4 μm-2降至1.59×10-4 μm-2,使易于诱发内裂纹的TiN数量显著减少,并抑制了TiN团簇的形成,有助于枝晶间的液态合金的补缩;另一方面,电磁连铸促使Incoloy800H合金连铸坯形成细小的等轴晶,减轻了合金元素偏析并减少了大尺寸TiN的数量,从而减少了萌发裂纹的机率,有效地抑制了内部裂纹的形成。

关键词: Incoloy800H合金 ; 电磁场 ; 裂纹 ; TiN

Abstract

Incoloy800H is a kind of corrosion-resistant Ni-Cr-Fe base alloy with wide application in industrial fields. Vertical continuous casting process was developed to replace conventional mould casting process to increase product rate and decrease energy consumption. However, seriously internal quality issues of the continuously cast Incoloy800H alloy have been revealed. In this work, the square billet of Incoloy800H alloy, whose cross-sectional size were 100 mm×100 mm, were successfully fabricated in vertical continuous casting process with and without electromagnetic field (EMF), and the solidification structure, TiN inclusion distribution and internal crack were investigated. The result showed, without EMF, the Incoloy800H alloy billet had some seriously internal quality issues like coarse column grains, internal cracks and large TiN inclusion. With EMF, The equiaxed grain ratio of Incoloy800H alloy billet increased from 2.45% to 41.45%, the equiaxed grain size decreased from 10.83 mm to 1.28 mm and internal cracks were eliminated. TiN is a kind of detrimental inclusion in Incoloy800H alloy billet, which can act as stress concentration sites to form cracking. Most of TiN inclusions were located at interdendritic area and formed into TiN cluster to block interdendritic feeding channel. The application of EMF reduced the number of TiN inclusion from 3.71×10-4 μm-2 to 1.59×10-4 μm-2 in the center of billet. Further analysis illustrated that the EMF can refine the equiaxed grain size, reduce the degree of element segregation and the number of large TiN inclusion, which can reduce the probability of the crack initiation and inhibit the formation of TiN cluster to enhance the interdendritic feeding, thereby remarkably reduce the internal crack in Incoloy800H alloy billet.

Keywords: Incoloy800H alloy, ; electromagnetic field, ; crack, ; TiN

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王菲, 王恩刚, 贾鹏, 王韬, 邓安元. 电磁连铸对Incoloy800H合金铸坯内TiN分布和内裂纹的影响[J]. , 2017, 53(1): 97-106 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00255

WANG Fei, WANG Engang, JIA Peng, WANG Tao, DENG Anyuan. Effect of Electromagnetic Continuous Casting on TiN Distribution and Internal Crack of Incoloy800H Alloy Billet[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2017, 53(1): 97-106 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00255

Incoloy800H合金是一种固溶强化奥氏体Ni-Cr-Fe基耐蚀合金,在高温条件下能够保持良好的结构稳定性、持久性能以及出色的抗氧化性和抗腐蚀能力,因此被广泛地应用于核电工业、石油化工和航空航天等领域[1~3]。通常镍基合金采用模铸方式生产,为了提高产品的成材率和质量,降低生产成本,国内外学者开展了Ni-Cr-Fe基耐蚀合金连铸技术的研究[4]。然而,由于合金属性以及连铸冷却强度大等原因,使得Incoloy800H合金连铸坯易产生表面裂纹和内部裂纹,而且Incoloy800H连铸坯内部柱状晶发达,中心区域普遍存在裂纹、缩孔和疏松等质量缺陷。马骏等[5]研究了Incoloy800H合金连铸坯的高温力学性能,发现铸坯内柱状晶间的连接比较薄弱,易于在晶界处开裂,特别是在1150~1350 ℃的脆性温度区间,其热裂倾向性较大。Todoroki等[6]在Ni-Cr-Fe基耐蚀合金连铸过程中采用缓冷方式和结晶性能优良的保护渣来防止铸坯表面纵裂纹的产生,成功制备出Ni-Cr-Fe基耐蚀合金连铸坯。

另一方面,从Incoloy800H合金的成分组成来看,可以通过添加Al、Ti等合金化元素使之具有更高的使用温度和更低的晶间腐蚀敏感性。然而,Ti是一种强氮化物形成元素,在凝固过程中极易形成TiN,其作为铸坯中的夹杂物严重影响合金的力学性能和抗腐蚀性能。例如,Zeng等[7]采用扫描电镜原位观测方法研究发现,在拉伸过程中,超高强度钢MA250中的裂纹首先在TiN内部萌生并迅速扩展,而且TiN的面积越大,TiN内萌生的裂纹越多。Du等[8]在铁素体不锈钢冲击实验的研究中发现,粗大的TiN (>0.5 μm)对解理裂纹的萌生具有重要作用。郦晓慧等[9]和Tan等[10]在690合金腐蚀行为的研究中发现,点蚀、应力腐蚀裂纹和疲劳腐蚀裂纹均优先在TiN与基体的交界处或是大尺寸TiN内的微孔处萌生和扩展。然而,目前还没有关于TiN影响连铸坯内部裂纹形成的研究报道。

电磁搅拌作为一种控制铸坯凝固过程和提高内部质量的有效手段,广泛地应用于各种合金的连铸生产 [11,12]。例如,在1050镍基合金的连铸过程中施加低频电磁场可以有效地消除铸锭心部的热裂纹[13]。刘琦[14]对Incoloy800板坯电磁连铸过程的多物理场数值模拟研究表明,施加电磁搅拌后铸坯内部温度分布更加均匀,铸坯宽面中心的应力集中得到明显改善,热裂指数显著减小,可抑制裂纹的产生。此外,Miki等[15]利用旋转电磁搅拌促进熔体中夹杂物的碰撞聚合长大,加速熔体中低密度夹杂物的上浮速度,可有效去除夹杂物。

本工作开发了Incoloy800H耐腐蚀合金立式电磁连铸制备方法,成功制备出截面积为100 mm×100 mm的Incoloy800H连铸坯,研究了电磁连铸对铸坯凝固组织、TiN的数量及分布、内部裂纹的影响及其作用机理。

1 实验方法

Incoloy800H合金的化学成分(质量分数,%)为:Ni 30.88,Cr 20.13,Ti 0.52,Al 0.28,Si 0.52,Mn 0.8,C 0.08,N 0.016,P 0.023,Fe余量。采用Ar气保护中频感应加热重熔母合金,立式连铸结晶器的尺寸为100 mm×100 mm×400 mm,浇注温度1425 ℃,连铸一冷和二冷的冷却水流量分别为6.4和3.0 m3/h,拉坯速率为600 mm/min。采用旋转型电磁搅拌器位于二冷区,电流强度为350 A,频率为5 Hz。采用立式连铸制备出1200 mm长的Incoloy800H合金连铸方坯。对连铸坯试样采用40 g CuSO4+50 mL HCl+50 mL H2O腐蚀液进行宏观晶粒腐蚀,根据GB6394-2002中的截点法测量平均晶粒尺寸,用面积计量法计算铸坯纵截面的等轴晶率。沿铸坯横截面中心线每隔10 mm取样观察,每个试样在Leica DMI5000光学显微镜(OM)下连续拍摄30张照片,用Image-Pro Plus软件统计单位面积上TiN数量。由于钢中6 μm的TiN夹杂物对疲劳性能的危害等同于25 μm的氧化物夹杂,而2 μm的TiN颗粒就会严重损害合金中的力学性能和腐蚀性能[16],因此本实验仅统计了尺寸大于2 μm的TiN的数量。利用附带能谱(EDS)的JSM-7100F场发射扫描电镜(SEM)对铸坯内的裂纹和TiN的形貌进行观察,之后用AG-X100KN万能试验机把裂纹打开并进行断口形貌分析。采用JXA-8530F电子探针对铸坯横截面中心处和宽度1/4处进行元素偏析的分析。

2 实验结果

图1为常规连铸条件下,Incoloy800H合金连铸坯的纵截面凝固组织和铸坯内部裂纹及其断口的形貌特征。从图1a可见,常规连铸坯内部主要为粗大的柱状晶组织,中心区域仅有少量的等轴晶组织,并且在铸坯内部存在明显的裂纹。通过对铸坯内部裂纹形貌和打开裂纹后的断口分析发现,裂纹主要沿着一次枝晶间扩展,如图1b和c所示。打开裂纹后其断口呈现枝晶状的形貌,这是枝晶间处于液膜连接时断口的主要特征。裂纹断口显示的枝晶较平滑,侧枝不发达,在断口上几乎观察不到有深度方向的孔穴。由此可知,此裂纹为典型的枝晶组织断裂,是在固/液两相共存的区域所产生的热裂纹[17]

图1   常规连铸下Incoloy800H合金铸坯纵截面宏观组织及铸坯内部裂纹及其断口形貌

Fig.1   Longitudinal section macrostructure of Incoloy800H alloy billet without electromagnetic field (EMF) (a), SEM images of internal crack (b) and fracture surfaces (c)

图2为电磁连铸条件下,Incoloy800H合金连铸坯纵截面的凝固组织。从图2a可见,电磁连铸的铸坯内部主要为细小的等轴晶组织,而且边部单向生长的树枝晶的生长方向发生偏转,并出现大量交叉的枝晶碎片(图2b)。铸坯中心处存在大量细小的等轴树枝晶(图2c)。经统计,铸坯的中心等轴晶率由常规连铸坯的2.45%增加至41.45%,且中心等轴晶的平均晶粒尺寸由10.83 mm减小至1.28 mm,而且电磁连铸坯内部无裂纹。

图2   电磁连铸的Incoloy800H铸坯纵截面宏观和显微组织

Fig.2   Longitudinal section macrostructure (a) and microstructures in the edge (b) and core (c) areas of Incoloy800H alloy billet with EMF

在Incoloy800H合金常规连铸坯中发现大量金黄色块状或条带状夹杂物,聚集在裂纹附近或附着在裂纹边缘,如图3所示。EDS分析表明其为TiN,主要呈以下3种形貌特征:第一种是以单个形式存在的大块TiN颗粒(图3a和d),呈三角形、方形或多边形,尺寸在0.5~12 μm范围内,主要分布在枝晶间,部分分布在枝晶内;第二种是由多个TiN颗粒组成的TiN团簇(图3b和e),主要出现在铸坯中心区域,其长度在15~100 μm之间;第三种是条带状TiN夹杂物(图3c和f),其长度大约在20~300 μm之间,主要分布在裂纹附近或附着在裂纹边缘,这种夹杂物仅在Incoloy800H合金常规连铸坯中存在。

图3   常规连铸条件下Incoloy800H合金铸坯内部的夹杂物形貌

Fig.3   Low (a~c) and high (d~f) magnified OM images of inclusions in Incoloy800H alloy billet without EMF(a, d) discrete large TiN near the crack (b, e) TiN cluster (c, f) TiN string

图4是常规和电磁连铸条件下铸坯内TiN的分布。在常规连铸条件下,TiN和TiN团簇主要分布在晶枝间和裂纹周围(图4a和b);而在电磁连铸条件下其主要分布在枝晶间区域(图4c和d)。在常规连铸坯中,分布在枝晶间的 TiN体积分数约占总体积的82%, 而枝晶内的TiN的体积分数约占18%。在电磁连铸铸坯中,分布在枝晶间的 TiN体积分数比例减小,约占总体积的70%,而在枝晶内TiN体积分数约占30%。

图4   常规和电磁连铸条件下铸坯内TiN在凝固组织中的分布

Fig.4   Distributions of TiN in Incoloy800H alloy billet without (a, b) and with (c, d) EMF

图5为铸坯横截面不同位置的大尺寸TiN (尺寸大于2 μm)数量的宏观分布统计。在距铸坯表面30 mm范围内,常规连铸和电磁连铸坯的TiN数量相差不大;随着距铸坯表面距离的增加,TiN的数量逐渐增加,电磁连铸坯内的TiN数量明显少于常规连铸坯内TiN的数量,且在铸坯中心处两者数量之差达到最大,分别为1.59×10-4和3.71×10-4 μm-2。这说明在电磁连铸条件下大尺寸TiN的数量明显减少。

图5   不同连铸条件下铸坯内TiN数量上的宏观分布

Fig.5   Variations of the TiN inclusion number along the radius direction of Incoloy800H alloy billet without and with EMF

3 分析讨论

3.1 电磁连铸制备Incoloy800H合金对铸坯内凝固组织的影响

在Incoloy800H合金电磁连铸过程中,等轴晶率的增加和晶粒细化的根本原因在于电磁场引发熔体剧烈流动促进了柱状晶向等轴晶的转变和熔体中形核率的增加。电磁场迫使熔体产生强制对流,不断冲刷初生的柱状枝晶,产生大量折断或熔断的枝晶碎片。这些游离的枝晶碎片随着强制对流进入熔池中心,增加了凝固后期异质形核的形核率,有利于等轴晶的形成与发展[18];另一方面,强制对流加速了熔体中过热的耗散,降低了熔池的温度梯度,更利于成分过冷条件的形成,这些都将促进大量新晶核的形成。由于晶核数量的大量增加和过热度的迅速散失使得凝固加快,从而导致大量新晶核在长大之前凝固,最终得到大量细小的等轴晶组织。

3.2 电磁连铸制备Incoloy800H合金对铸坯内TiN分布的影响

通过对Incoloy800H合金连铸坯中TiN析出的热力学条件计算[19],随着Ti和N含量的增加,TiN在固液两相区的析出温度逐渐升高,在液相线温度1658 K时所对应的平衡氮钛积为3.70×10-4,而铸坯中氮钛积高于液相线温度所对应的值,表明在本实验条件下TiN可以直接在液相中析出。TiN形成方式主要有2种:一种是自发形核长大的纯TiN,内部无核心;另一种是以氧化物MgOAl2O3为异质核心析出,如图6a所示,内部有黑色的核心。在冶炼过程中,MgO和Al2O3等耐火材料的添加会在熔体中形成中间相MgOAl2O3。TiN和MgOAl2O3的晶格常数分别为0.424和0.808 nm,2者的错配度很低,只有5.1%[20], TiN更容易以MgOAl2O3为异质核心形核长大,因而提高了TiN的析出温度。但是熔体中的MgOAl2O3杂质含量较少,所以有核心的TiN数量不多。液相中先形成的TiN,在熔体中的自然对流或强制对流作用下,会随着凝固前沿被推向液芯处。因此在宏观尺度上,铸坯心部的大尺寸TiN数量明显增加。另外,铸坯中心是最后凝固的区域,元素偏析较为严重,因而有利于TiN的形成和长大,这也是铸坯中心区域大尺寸TiN数量增多的重要原因。

图6   TiN的SEM像和EDS分析

Fig.6   SEM image of TiN inclusion (a), and EDS analyses of TiN (b) and MgOAl2O3 (c)

在常规连铸和电磁连铸条件下,TiN数量的宏观和微观分布统计结果表明,施加电磁场可以有效减少铸坯内大尺寸TiN (大于2 μm)的数量,并抑制了TiN在枝晶间的形成。其主要原因为以下2个方面。

一方面,电磁场引发的电磁力迫使熔体做圆周运动。由于TiN的密度小于周围熔体密度,在向心力的作用下液相中先析出的TiN会随着流动的熔体向铸坯中心迁移。在强制对流作用下TiN相互碰撞、聚集和长大,而尺寸大的夹杂物在铸坯液芯处更容易受到浮力的作用而加速上浮[21],因而减少了铸坯内部大尺寸TiN的数量。

另一方面,施加电磁场减小了铸坯内部的枝晶间距和合金元素的微观偏析。在常规连铸过程中,随着凝固的进行,铸坯内部温度梯度逐渐升高而冷却速率将变小,使得枝晶生长速率变缓,二次枝晶臂间距变大,导致枝晶间形成较大的“通道”,促进了溶质元素的富集,特别是TiN的形成元素Ti。随着固相的增加,枝晶偏析更加严重,枝晶间富集的Ti以TiN的形式在枝晶间处析出。过高的溶质含量和过低的冷却速率为TiN的形成与充分生长提供了热力学条件,而且较宽的枝晶间距也有利于TiN团簇的形成。图7是不同连铸条件下铸坯内部的二次枝晶臂间距。可以看到,电磁连铸铸坯内的二次枝晶臂间距明显减小。这是由于施加电磁场降低了铸坯内部温度梯度,提高了冷却速率,从而减小了铸坯内部二次枝晶臂间距[22]。二次枝晶臂间距的减小,缩小了提供TiN形成和生长的空间,抑制了TiN的形成与长大。此外,随着凝固过程固/液界面的推移,TiN同时存在被固相捕捉和继续向液相推移的情况。常规连铸条件下,随着凝固的进行,冷却速率不断降低,TiN来不及被固相捕捉就被推向了液相区,并随着液相的减少而堆积在枝晶间。这也增加了TiN生长的时间,容易形成大尺寸TiN。在电磁连铸条件下,施加电磁场提高了冷却速率,加快了TiN被固相捕捉的速度。这也是电磁连铸条件下,枝晶间TiN数量占总数量的比例减小的主要原因之一。

图7   常规和电磁连铸条件下铸坯内不同位置的二次枝晶臂间距

Fig.7   Variations of the secondary dendrite arm spacing with the distance from the edge to the centre of specimen without and with EMF

图8是在常规连铸和电磁连铸条件下,铸坯心部和铸坯宽度1/4处各元素的枝晶偏析情况。元素的枝晶偏析程度可用偏析比SR表示。SR是枝晶间测得的最大(正偏析)或最小(负偏析)溶质浓度与在枝晶干心部所测得的最小或最大溶质浓度之比。无论正偏析还是负偏析,SR越接近1表示枝晶偏析程度越轻,元素分布越均匀。由图8可知,Al、Ti、Si和Mn为正偏析元素,而且铸坯中心处的元素枝晶偏析程度比铸坯宽度1/4处更为严重,其中Ti的枝晶偏析程度最为严重。有研究[23]证明,Ti的枝晶偏析会强烈促进TiN在枝晶间的析出和长大,并导致TiN团簇在枝晶间的形成。由图8可知,电磁连铸条件下,各元素枝晶偏析程度明显减轻,特别是中心区域的Ti元素的偏析比由3.7降至2.6。这是因为电磁场使熔体产生的强制对流,不仅改变了熔体的温度场,同时也改变了合金凝固过程中的传质过程。强制对流加快了凝固前沿富集元素的运动速率,加速了溶质元素的扩散,从而大幅度降低了凝固前沿的溶质元素的富集程度,因而减小了元素的枝晶偏析[24]。Ti枝晶偏析程度的减小,抑制了TiN和TiN团簇在枝晶间的形成与长大,从而减少了铸坯内部大尺寸TiN数量,同时也减小了枝晶间TiN数量占总数量的比例。

图8   常规和电磁连铸条件下铸坯内的元素微观偏析

Fig.8   Microsegregation ratio distribution in Incoloy800H alloy billet without and with EMF

3.3 电磁连铸制备Incoloy800H合金对铸坯内部裂纹的影响

从前文可知,采用电磁连铸工艺制备Incoloy800H合金连铸坯,可以有效抑制铸坯内部裂纹形成,其主要原因可以归结为以下3个方面。

(1) 电磁连铸制备Incoloy800H合金连铸坯细化了铸坯内部晶粒组织并增加了等轴晶率。在常规连铸过程中,铸坯内部温度梯度过大,致使部分柱状晶生长速率过快,粗大的柱状晶在铸坯中心相遇形成“枝晶搭桥”,而在凝固收缩时晶桥下部得不到上部合金液的补缩而形成缩孔。在电磁连铸过程中,电磁场引发的强制对流可以打碎枝晶,并抑制柱状晶的生长,防止形成枝晶搭桥的现象。电磁场细化晶粒的同时促进了柱状晶向等轴晶转变,这使得枝晶间液态金属熔体的毛细输送管道增多,流动阻力减小,促进了晶间熔体流动,使得晶间熔体可补缩区增大,提高了晶间熔体补缩能力,加强了弥合裂纹的能力,防止枝晶间由于得不到合金液的补缩而形成裂纹。此外,在电磁连铸条件下,晶粒主要以等轴晶方式生长,其形成结晶骨架的温度比常规连铸条件下的柱状枝晶生长方式低,因而降低了脆性区的上限。而且电磁场促进了均匀细小的等轴晶的形成,提高了微观组织变形能力和塑性。根据液膜理论[25],细化晶粒能够增加晶粒接触面积,提高液膜结合强度,从而提高抗热裂能力。

(2) 电磁连铸制备Incoloy800H合金连铸坯减少了铸坯内TiN的数量。对于Incoloy800H合金母材来说,TiN是一种高硬度的脆性夹杂物。在凝固过程中液相中先析出的TiN不断长大,其尖锐的棱角很容易刺破凝固初期强度较小的基体,在与基体的交界处产生裂纹,如图9a所示。TiN与基体之间存在较大的错配度,在TiN与基体的交界处容易产生应力集中而引发裂纹的萌生和扩展(图9b)。在连铸过程中,所形成的裂纹在机械应力和凝固收缩产生的热应力双重作用下,不断扩大并延伸至枝晶间,并在枝晶间迅速扩展。研究[26]表明,TiN的弹性模量为600 GPa,远大于Incoloy800H合金基体的弹性模量(141.3 GPa (800 ℃)~196.5 GPa (20 ℃))。这说明在外加载荷作用下,TiN所承受的载荷将远高于合金基体,导致自身容易开裂。由于TiN很脆,裂纹在TiN内部瞬间即可形成,特别是含芯的TiN颗粒,其核芯MgOAl2O3与TiN基体的交界处也易于产生应力集中从而形成微裂纹或微孔(图9b),致使TiN破裂而形成裂纹源,如图9c所示。在凝固初期,TiN的强度超过了Incoloy800H合金基体的强度,在应力的作用下,裂纹很容易在破碎的TiN上形成并开始扩展。大多数含芯的TiN颗粒在液相区就已经形成,因而具有较长的凝固时间而形成大尺寸的TiN颗粒,而面积越大的TiN颗粒自身产生裂纹或微孔的机率也就越大。

图9   Incoloy800H连铸坯中3种不同类型的TiN形貌和常规连铸坯内部缩孔处的TiN团簇

Fig.9   Morphologies of three type TiN in Incoloy800H alloy billet with EMF(a~c) single TiN(d, e) TiN cluster(f) TiN cluster in Incoloy800H alloy billet without EMF(g) TiN string

在Incoloy800H合金连铸坯中经常观察到大量TiN以团簇的形式存在。TiN团簇的形成有2种可能:一种是在液相区析出的TiN颗粒,因其熔点很高,熔体中的TiN极难分解。在熔体中的自然对流或强制对流的作用下相互碰撞而黏合在一起形成的TiN团簇,随着凝固的结束而聚集在枝晶间;另一种是在凝固的过程中,局部区域产生Ti的微观偏析,而随着液相分数的减小,枝晶间和凝固前沿Ti的溶质浓度急剧增加,导致大量TiN的析出并迅速长大。由于TiN在液相中的固溶度比在固相中大,析出的TiN会被推向枝晶间或凝固前沿的液相中。最后,随着残余液相的消失,这些TiN聚集在枝晶间而形成TiN团簇。TiN团簇易造成局部应力集中而促进裂纹的萌生和扩展。如图9d所示,在裂纹源处经常会观察到TiN团簇的存在。一些TiN团簇的形成时间较早且在凝固过程中不断长大,大量TiN团簇聚集在枝晶间处,造成枝晶间的合金液补缩通道被过早地堵塞,因而增加了不可补缩区域的面积,严重降低合金液的流动性和补缩性,导致TiN团簇周围或者内部形成许多显微缩孔,如图9e所示。图9f为常规连铸坯内部缩孔处的TiN团簇。在铸坯内部应力的作用下显微缩孔的数目会持续增加并不断扩大,最终连接在一起形成裂纹。

在Incoloy800H合金常规连铸坯中,还可以观察到一些裂纹沿着条带状TiN的内部进行扩展。条带状TiN主要是由单个短条状的不含芯的纯TiN组成,其形成机理尚不清楚,可能是由于在凝固后期狭长的残余液相中富集大量的Ti从而形成条带状TiN。从图9g中可以看到,在条带状的TiN夹杂物内部,相邻的2个夹杂物之间萌生出一条小裂纹,在条带状TiN的内部不断扩展,致使条带状TiN夹杂物自身开裂。根据王冲等[27]的研究,这种条带状的夹杂物将严重恶化航空用超高强度钢的力学性能,在应力作用下裂纹会优先在条带状夹杂物中萌生和扩展,而且含有条带状夹杂物试样的疲劳寿命比含有单个块状夹杂物的试样短得多。

电磁连铸制备Incoloy800H连铸坯,抑制了铸坯内TiN的形成与长大,减少了大尺寸TiN数量,从而减少裂纹萌生的机率,并防止TiN形成团簇阻塞枝晶间的补缩通道,从而提高了晶间熔体的补缩能力。因此,在Incoloy800H合金的电磁连铸过程中,有效地消除了铸坯的内部裂纹,改善了铸坯质量。

(3) 电磁连铸制备Incoloy800H合金连铸坯抑制了铸坯内的元素偏析。合金元素的偏析会导致晶界的弱化,特别是随着强正偏析元素Ti含量的增加,使合金的固、液相线温度降低,尤其是固相线温度降低更多,因此改变了合金的凝固特性,扩大了存在热裂纹风险的固液两相区间,恶化了合金的可铸性,增加了合金凝固时在枝晶间产生热裂的倾向。而电磁场减小了固液两相中溶质浓度上的差异,提高了非平衡固相线温度,从而提高了脆性区下限温度,缩小了合金脆性区,增强了铸坯的抗热裂能力。

4 结论

(1) 与常规连铸工艺相比,采用电磁连铸制备的Incoloy800H合金连铸坯促进了等轴晶的形成并细化了晶粒组织。中心等轴晶率由2.45%增加至41.45%,中心等轴晶的平均晶粒尺寸由10.83 mm缩小至1.28 mm,同时有效地消除了其内部裂纹。

(2) 采用电磁连铸制备的Incoloy800H合金连铸坯,减少了铸坯内的大尺寸TiN (大于2 μm)数量,使铸坯中心的TiN数量由3.71×10-4 μm-2降至1.59×10-4 μm-2。枝晶间TiN的数量和TiN团簇显著减少,有利于抑制铸坯内部裂纹的形成。

(3) 电磁连铸Incoloy800H合金连铸坯晶粒组织的细化与合金元素偏析的减轻,提高了其微观组织变形能力和抗热裂能力。大尺寸TiN (大于2 μm)数量和TiN团簇的减少,降低了裂纹萌生的机率,提高了晶间熔体的补缩能力,有助于抑制铸坯内部裂纹的形成。

The authors have declared that no competing interests exist.


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