基于Thermo-Calc的高鋁鐵素體耐熱鋼析出規律研究

國 棟，鄧小虎，林毛毛，趙冬鳳，孟 爽，余 青

（天津職業技術師范大學機械工程學院，天津 30022）

鐵素體耐熱鋼具有熱膨脹系數小、熱疲勞性能和導熱性能良好、成本較低等特點，但同時也存在抗氧化能力較差、高溫下組織穩定性不佳的問題。隨著超超臨界發電技術的發展，對鐵素體耐熱鋼提出更高的要求，吸引了眾多研究者的關注[1-3]。鐵素體耐熱鋼中的不同元素對其性能影響較大，如Al作為高反應活性元素，易與鋼中的非金屬元素反應生成簡單化合物，也有可能與Mn、Cr等元素形成比較復雜的化合物，提高鋼的抗氧化性能[4-7]；增加Ni元素含量會擴大鋼中奧氏體相區，強化其固溶效果，起到提高鋼的塑性及韌性的作用[8-10]，除此之外，Ni原子直徑比Fe原子直徑更小，使Fe-Ni置換固溶體的間隙縮小，進而降低溶碳量，有助于提高其高溫持久性強度[11-13]。在T92耐熱鋼成分基礎上添加Al元素，輔以對Ni元素含量做適當調整，以期提高鐵素體耐熱鋼性能，是一種值得探索的辦法。本文研究Al、Ni對鐵素體耐熱鋼析出相的影響，在T92鐵素體耐熱鋼基礎上進行成分調整，采用Thermo-Calc軟件對不同Al、Ni含量的鐵素體耐熱鋼進行平衡相圖的計算與模擬，為析出相的研究提供參考。

1 合金組成和熱力學平衡析出相的計算

1.1 合金組成和計算方法

為研究Al、Ni含量對鐵素體鋼的影響，在成熟鋼種T92成分的基礎上添加Al、Ni元素，對4種高鋁鐵素體耐熱鋼1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB進行研究，其化學成分如表1所示。

表1 1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼種化學成分wt%

1981年瑞典皇家工學院研究人員研發并應用了Thermo-Calc軟件，該軟件是以CALPHAD方法為基礎開發的，軟件的基本原則遵循“Gibbs最小值”以及“平衡相各組元化學勢相等”，構建合金在不同溫度下的平衡析出相與析出量的關系[14]。利用Thermo-Calc軟 件 及TCFE6數 據 庫 對1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB鋼熱力學平衡過程進行模擬計算，分析各相的析出情況與組成。計算過程中，溫度單位采用攝氏溫度（℃），參照狀態為1 000 K和101.325 kPa，1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼的各組成元素按照質量百分數輸入，該體系總物質的量按照1 mol計算。

1.2 熱力學平衡析出相的計算

通過Thermo-Calc軟件，計算平衡狀態下1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼中各析出相溫度與析出情況的關系圖，并探討鋼中Laves相、M23C6及Z相、σ相的析出規律。其中，3#和4#鋼熱力學平衡相的析出情況如圖1和圖2所示。

圖1 3#鋼熱力學平衡相的析出情況

圖2 4#鋼熱力學平衡相的析出情況

由圖1可知，1#鋼在溫度降低到944.4℃時，首先會析出M23C6型碳化物；當溫度慢慢降低至691.0℃時，Laves相開始析出；當溫度降至427.0℃時，Z相析出；當溫度降至392.3℃時，σ相析出。2#鋼在溫度降至943.9℃時，首先開始析出M23C6型碳化物；當溫度降低至726.4℃時，Laves相開始析出；溫度降低至416.2℃時，Z相析出；溫度進一步降低至359.8℃時，σ相析出。3#鋼在溫度降至930.9℃時，首先開始析出M23C6型碳化物；當溫度降低至703.0℃時，Laves相開始析出；溫度降低至339.7℃時，Z相析出；溫度進一步降低至320.2℃時，σ相析出。另外，1#鋼、2#鋼和3#鋼在平衡過程中還有少量NbNi3相和AlN相同時析出。由圖2可知，4#鋼在溫度降至986.1℃時，首先開始析出M23C6型碳化物；當溫度降低至692.2℃時，Laves相開始析出；當溫度降低至356.0℃，σ相析出。另外，平衡過程中，4#鋼還有少量NbNi3相、AlN相及M3C2、M6C、M7C3型碳化物析出，但與其他1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼種相比幾乎沒有Z相析出。

2 Al、Ni對高鋁鐵素體耐熱鋼析出物的影響

2.1 Al及Ni對析出溫度及數量的影響

1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼中M23C6型碳化物、σ相、Z相、Laves相析出情況和溫度間的關系如圖3所示，Al、Ni的加入對M23C6型碳化物、Z相、σ相的析出有較明顯影響，對Laves相的析出影響則不明顯。

圖3 1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼的平衡析出相

從圖3（a）可以看出，1#鋼、2#鋼、3#鋼、4#鋼中Laves相析出溫度區間分別為142.2℃～691.0℃、181.3℃～726.4℃、317.7℃～703.0℃、339.2℃～692.2℃，可見析出終了溫度逐漸上升，且整個析出溫度區間逐漸變窄。在鐵素體耐熱鋼中，Laves相會有一定程度地阻礙亞晶界的遷移，在高溫環境下其會使鐵素體鋼的蠕變速率得到有效降低，從而抑制再結晶晶粒的粗化，因此Laves相是一個很重要的相。但Laves相析出量要適中，因為析出量過大時會增加鋼的脆性[15]。1#鋼在142.178℃下Laves相析出量的摩爾分數值達到1.245%，2#鋼在181.3℃下Laves相析出量摩爾分數值達到1.284%，3#鋼在317.7℃下Laves相析出量摩爾分數值達到1.034%，4#鋼在344.7℃下Laves相析出量摩爾分數值達到0.989%。由此可見，2#鋼中Laves相的開始析出溫度最高，且Laves相的析出量的峰值最高，因為2#鋼中所含Al-Ni組元最少。

從圖3（b）可以看出，1#鋼、2#鋼、3#鋼、4#鋼中M23C6型碳化物的析出溫度區間分別為142.2℃～944.4℃、181.3℃～943.9℃、317.7℃～930.9℃、44.9℃～986.1℃，可見1#鋼、2#鋼、3#鋼中M23C6的開始析出溫度逐漸下降，析出終了溫度逐漸上升，整個析出溫度區間逐漸變窄，而4#鋼開始析出M23C6的溫度最高，析出終了溫度最低，整個析出的區間最寬。在鐵素體耐熱鋼鋼中，隨著M23C6型碳化物的析出，此碳化物晶粒細小，并且對晶界滑移有一定的阻礙，從而形成晶界強化，同時通過彌散強化，耐熱鋼的強度與高溫蠕變性能得到了提升。但M23C6的析出量過大會導致晶界強化降低的同時還會擴大貧碳區，促進σ相形成[16]。1#鋼在381.8℃時M23C6型碳化物析出量最高，摩爾分數值可達到2.884%，2#鋼在396.3℃時M23C6型碳化物析出量摩爾分數值達到2.881%，而3#鋼和4#鋼分別在390.4℃和339.6℃下其析出量摩爾分數值達到最高，分別為1.938%和2.175%。由此可見，3#鋼中M23C6的開始析出溫度最低，且析出量峰值最小，因為3#鋼中所含Al-Ni組元最多，Al-Ni組元的增多降低了M23C6的析出量。

從圖3（c）可以看出，1#鋼、2#鋼、3#鋼中Z相的析出溫度區間分別為142.2℃～427.0℃、181.3℃～416.2℃、317.7℃～339.7℃，4#鋼中幾乎無Z相析出，可見1#鋼、2#鋼、3#鋼中Z相的開始析出溫度逐漸下降。在鐵素體耐熱鋼鋼中，如果大量析出Z相，那么能引發貧VN區域的出現，進而降低鋼蠕變性能[17]。1#鋼在142.2℃下Z相析出量摩爾分數值達到0.599%，2#鋼在181.3℃下Z相析出量摩爾分數值達到0.593%，3#鋼在317.7℃下Z相析出量摩爾分數值達到0.175%。由此可見，3#鋼中Z相的開始析出溫度最低，且析出量峰值最小，因為3#鋼中所含Al-Ni組元最多。

從圖3（d）可以看出，1#鋼、2#鋼、3#鋼、4#鋼中σ相的析出溫度區間分別為142.2℃～392.3℃、181.3℃～359.8℃、317.7℃～320.2℃、339.2℃～356.0℃，可見1#鋼、2#鋼、3#鋼中σ相的開始析出溫度逐漸下降，4#鋼中σ相的析出溫度較3#鋼有所上升。σ相會產生一些危害，它會降低鋼中Cr、W、Mo等元素的固溶強化作用，使合金性能出現大幅度下降[18]。1#鋼在142.2℃下σ相析出量摩爾分數值達到9.032%，2#鋼在181.3℃下σ相析出量摩爾分數值達到7.118%，3#鋼在317.7℃下σ相析出量摩爾分數值達到0.192%，4#鋼在339.2℃下σ相析出量摩爾分數值達到0.789%。由此可見，3#鋼中σ相的析出峰值最小，因為3#鋼中所含Al-Ni組元最多。因此，3#鋼中σ相的析出量較為合適。

綜上分析可知，Al、Ni添加量的增多使得Laves相、M23C6碳化物、Z相和σ相開始析出溫度有降低趨勢，且抑制了Laves相、M23C6碳化物、Z相和σ相的析出，但相比之下，Al、Ni含量變化對M23C6型碳化物、Z相、σ相影響較大，對Laves相影響相對較小。

2.2 Al及Ni含量對析出相組成的影響

1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼Laves相的組成元素如圖4所示，590℃時1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼中Laves相主要組成元素及含量如表2所示。

表2 590℃時1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼中Laves析出相組成mol

圖4 1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼Laves相的組成

從圖4可以看出，實驗鋼中Laves相主要由Fe、W、Cr、Mo、Si元素組成，不同的是1#鋼與2#鋼中Laves相所含Si元素非常少，而3#鋼與4#鋼中Laves相所含Si含量稍稍增多。在鋼中Laves相的析出過程中，Laves相中Fe與Mo元素含量逐漸減少，Cr與Si元素隨溫度的降低逐漸增多，而Cr元素全程幾乎無變化。

從表2的數據可以得出，在590℃時，1#鋼與2#鋼中Laves相所含Fe、Si元素分別相等，3#鋼與4#鋼中Laves相所含Fe、Si元素也分別相等，且與1#鋼、2#鋼中Laves相所含Fe、Si元素不等，說明鋼中Al含量影響到了Laves相的組成元素含量。此外，在590℃時，1#鋼與2#鋼中Laves相所含Fe、Mo元素比3#鋼與4#鋼中含量多，1#鋼與2#鋼Laves相所含W、Cr、Si比3#鋼與4#鋼中含量少，說明鋼中加入的Al越多，Laves相所含Fe、Mo越少，所含W、Cr、Si越多。

1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼M23C6型碳化物的組成元素如圖5所示。

圖5 1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼M23C6型碳化物的組成

由圖5可知，實驗鋼中M23C6主要由Cr、Fe、C、Mo、W組成，且M23C6中Cr、Mo元素含量隨溫度的降低逐漸增多，而Fe、W含量逐漸減少，C元素含量在該過程中則幾乎保持不變。

590℃時平衡態1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼中M23C6型碳化物的主要組成元素及含量如表3所示。從表3可以看出，在590℃時，4種1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼中M23C6所含C元素相等，說明M23C6中所含C元素的多少與Al、Ni元素含量無關；從表中還可以得出，鋼中M23C6所含Cr、Mo、Fe、W與鋼中添加Ni含量有關，不同的是，Ni含量越高，M23C6中所含Cr、Mo元素越多，所含Fe、W元素越少。實驗鋼中Z相主要由V、Cr、N、Fe組成，σ相主要由Cr、Fe、Mn、Si組成，Z相和σ相中各元素含量在試驗溫度的范圍內變化不大。

表3 590℃時1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼中M23C6型碳化物組成 mol

表4為320℃時1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼中Z相的主要組成元素及含量。表4表明，在320℃時，4種實驗鋼中Z相所含Fe元素含量幾乎無變化，說明Z相中Fe元素含量與Al、Ni元素的含量無關。

表4 320℃時1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼中Z析出相組成mol

320℃時1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼中σ相的主要組成元素及含量如表5所示。

表5 320℃時1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼中σ析出相組成mol

從表5可以看出，在320℃時，4種實驗鋼中σ相所含Fe元素含量變化較小，說明σ相中Fe元素含量與Al、Ni元素的含量相關度不大；1#鋼中σ相所含Cr、Fe、Si元素比2#鋼少，而3#鋼中σ相所含Cr、Fe、Si元素比4#鋼多，且1#鋼、2#鋼中σ相所含Cr、Fe、Si元素比3#鋼、4#鋼少，σ相所含Mn元素相反。

綜上分析可知，Al元素有利于減少Laves相中Fe、Mo元素含量，提高W、Cr、Si元素含量，同時Ni元素促進了M23C6中Cr、Mo元素含量，抑制了Fe、W元素含量，但是對Z相和σ相中Fe元素含量影響不大。

3 結論

本文對4種不同Al、Ni含量的1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB高鋁鐵素體耐熱鋼的平衡相析出情況進行了研究，對比分析了4種實驗鋼的平衡相組成與組織，主要研究結果如下：

（1）根據1Cr9Al1-3Ni1-7WVNbB實驗鋼平衡相的析出情況得知，實驗鋼中平衡相的析出順序由高至低依次為M23C6相、Laves相、Z相、σ相，但4#鋼中幾乎無Z相析出。

（2）Al、Ni添加量的增多使得Laves相、M23C6碳化物、Z相和σ相開始析出溫度有降低趨勢，且抑制了Laves相、M23C6、Z相和σ相的析出，但相比Al、Ni含量變化，對M23C6型碳化物、Z相、σ相影響較大，對Laves相影響相對較小。

（3）Al元素有利于減少Laves相中Fe、Mo元素含量，提高W、Cr、Si元素含量，同時Ni元素促進了M23C6中Cr、Mo元素含量，抑制了Fe、W元素含量，對Z相和σ相中Fe元素含量則影響不大。