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 王  菲1，2  王  韜1，3  張興武1，3  鄧安元1，3  王恩剛1，3

 （1．東北大學(xué)材料電磁過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2．東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；3．東北大學(xué)冶金學(xué)院）

摘要研究了電磁攪拌對(duì)Incoloy825高溫合金凝固組織及凝固過程中溶質(zhì)元素偏析的影響。結(jié)果表明，在合金凝固過程中，施加電磁攪拌能夠有效細(xì)化晶粒組織，同時(shí)增加等軸晶比例。當(dāng)電磁攪拌電流強(qiáng)度由150 A增加到300 A時(shí)，鑄坯中晶粒尺寸由300 Um減小至210rlm，同時(shí)等軸晶含量由66. 7%增至77. 5%。未施加電磁攪拌的Incoloy825高溫合金鑄坯內(nèi)部的宏觀偏析和微觀偏析均比較嚴(yán)重，通過施加電磁攪拌，引起熔體強(qiáng)制對(duì)流，使熔體內(nèi)部傳熱和傳質(zhì)得到改善，同時(shí)增大了冷卻速率使二次枝晶臂間距減小，并促進(jìn)液穴內(nèi)熔體成分的均勻化，大幅度降低了合金元素的偏析程度。

關(guān)鍵詞Incoloy825高溫合金；電磁攪拌；凝固；偏析

中圖分類號(hào)  TG132.3+3；TG146.1+5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼  ADOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 001

 Incoloy825合金是一種添加了Mo、Cu、Ti、AI、M n和Si的Ni-Fe-Cr基固溶強(qiáng)化高溫合金，它可在還原性和氧化性介質(zhì)中使用。Incoloy825高溫合金具有抗Cl-應(yīng)力腐蝕開裂，抗點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕以及其他多種腐蝕性溶液的能力。此外，在550 0C高溫環(huán)境下使用也能保持良好的力學(xué)性能，因而廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、化工和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著Incoloy825合金需求量的大幅增加，針對(duì)該合金的連鑄工藝技術(shù)的開發(fā)成為實(shí)現(xiàn)其大批量生產(chǎn)的重要手段。但是在連鑄生產(chǎn)中，由于Incoloy825合金元素含量高，且在連鑄過程中鑄坯內(nèi)部的溫度和溶質(zhì)濃度分布不均勻，會(huì)促使鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的偏析和晶粒粗大等問題。為消除偏析對(duì)合金的危害，在鑄坯的后續(xù)加工中要進(jìn)行熱處理等工序，不但消耗大量能源而且也延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期。

 電磁攪拌技術(shù)是對(duì)金屬凝固過程進(jìn)行控制的一種有效手段。其原理是利用電磁力來(lái)強(qiáng)化液穴中金屬液的運(yùn)動(dòng)，從而影響金屬液凝固過程中的流動(dòng)、傳熱和遷移過程，減少柱狀晶組織并增加等軸晶含量，減小成分偏析，從而達(dá)到改善鑄坯質(zhì)量的目的。目前電磁攪拌技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于多種合金的連鑄過程中并取得良好的效果。因此，本課題通過在Incoloy825高溫合金的凝固過程中施加水平線性電磁攪拌，研究了電磁攪拌對(duì)Incoloy825高溫合金組織及元素偏析的影響。

1  試驗(yàn)材料與方法

 試驗(yàn)用Incoloy825合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為：39. 1%的Ni，22. 5%的Cr，3.51%的Mo，0.12%的A1，0.709%的Ti，0.506%的Mn，0.203%的Si，2.15%的Cu，0.018%的C，0.021%的P，0.017%的S，余量為Fe。將棒材切成多段，放人中頻感應(yīng)爐中熔煉，在1 460℃時(shí)澆人試驗(yàn)裝置內(nèi)（見圖1）并蓋上保溫材料，同時(shí)通入Ar氣，得到尺寸為120 mm×80 mm×130 mm的鑄坯。試驗(yàn)裝置采用水冷銅模進(jìn)行單側(cè)冷卻并利用水平線性電磁攪拌器放置于水冷銅模同側(cè)進(jìn)行。因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)的Incoloy825合金連鑄坯主要為板坯，板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器的寬厚比大，不適合采用旋轉(zhuǎn)型電磁攪拌，因而一般采用水平線性電磁攪拌。線性電磁攪拌的原理與旋轉(zhuǎn)型電磁攪拌有所不同，旋轉(zhuǎn)型電磁攪拌器相當(dāng)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子，當(dāng)通入兩相或三相交流電時(shí)，其磁極間產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。，磁場(chǎng)會(huì)使金屬熔體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，載流金屬熔體與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生作用于熔體單元上的電磁力，從而推動(dòng)金屬熔體作水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；而線性電磁攪拌器，其結(jié)構(gòu)上可認(rèn)為是一個(gè)圓柱形電感器的變形，即將電感器一邊切開并拆裝成扁平的裝置。當(dāng)攪拌器通入兩相或三相交流電時(shí)，可以在鑄坯中產(chǎn)生一個(gè)行波磁場(chǎng)并產(chǎn)生一個(gè)向磁場(chǎng)方向移動(dòng)的電磁力，達(dá)到攪拌的目的。電磁攪拌器的頻率為5

 Hz，電流強(qiáng)度分別為0、150、300 A。

 將所得試樣從中間縱向切開截取鑄坯縱截面，并切除頂端縮孔區(qū)域。試樣經(jīng)研磨拋光后，用王水腐蝕，并且根據(jù)GB6394-86測(cè)量晶粒尺寸并采用面積計(jì)量法來(lái)測(cè)定截面的等軸晶含量。用枝晶腐蝕液[CuSO4 (40 g)+H C l (50 m L)+H2O(50 m L)]腐蝕后進(jìn)行合金的二次枝晶臂間距的觀察和統(tǒng)計(jì)，每個(gè)區(qū)域在光學(xué)顯微鏡下連續(xù)拍攝30張圖，再運(yùn)用IPP圖像處理軟件進(jìn)行二次枝晶臂間距的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。分別對(duì)不同電磁攪拌參數(shù)下鑄坯試樣進(jìn)行成分分析。從試樣的水冷端開始，每隔30 mm取一個(gè)點(diǎn)，對(duì)每個(gè)點(diǎn)鉆屑取樣，用Leca CS844碳硫分析儀進(jìn)行測(cè)試，然后算出每個(gè)點(diǎn)的偏析指數(shù)來(lái)分析鑄坯內(nèi)的宏觀偏析。此外，采用電子探針來(lái)測(cè)定鑄坯心部的各元素微觀偏析程度。

2  試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1  電磁攪拌對(duì)Incoloy825高溫合金組織的影響

 圖2為不同攪拌電流作用下的Incoloy825合金鑄坯縱截面的宏觀凝固組織，圖3 為不同電流強(qiáng)度下鑄坯的晶粒尺寸和等軸晶含量。由圖2a-可以看出，未施加電磁攪拌的鑄坯，其表層在激冷作用下形成細(xì)小的等軸晶晶層，向內(nèi)為相互平行且沿著溫度梯度方向生長(zhǎng)的粗

大柱狀晶組織，中心部為少量粗大的等軸晶組織。結(jié)合圖3可知，未施加電磁攪拌的鑄坯縱截面斷面等軸晶含量?jī)H為16. 7%，中心等軸晶的平均晶粒尺寸為5.8mm。施加電磁攪拌后，柱狀晶組織的生長(zhǎng)受到抑制，等軸晶組織明顯增多，見圖2b。當(dāng)電流強(qiáng)度為150 A時(shí)，心部等軸晶含量增加至66. 7%，同時(shí)晶粒組織也得到明顯細(xì)化，其中心部等軸晶的晶粒尺寸為3.0 mm。當(dāng)電磁攪拌的電流強(qiáng)度增加到300 A時(shí)，心部的等軸晶組織得到進(jìn)一步的擴(kuò)大和細(xì)化，斷面等軸晶含量增加至77. 5%，平均晶粒尺寸為2.1 mm。

 圖4為有、無(wú)電磁攪拌下Incoloy825的微觀枝晶組織。由圖4可知，在電磁攪拌的作用下，Incoloy825高溫合金鑄坯的凝固組織得到明顯改善，等軸晶含量明顯增加，同時(shí)細(xì)化了晶粒尺寸，其機(jī)理主要為：一方面，電磁攪拌在熔體中產(chǎn)生電磁力，引發(fā)熔體的強(qiáng)制對(duì)流，

造成枝晶的折斷和熔斷，破碎的枝晶隨著熔體流入鑄坯心部成為異質(zhì)核心，增大了異質(zhì)形核的形核率，細(xì)化了晶粒組織并促進(jìn)了等軸晶的形成。由圖4a和圖4b可以看出，未施加電磁攪拌的鑄坯內(nèi)部組織主要為平行于傳熱方向的單向柱狀枝晶向中心區(qū)域迅速生長(zhǎng)，中心區(qū)域同時(shí)會(huì)出現(xiàn)少量粗大的等軸晶。由圖4c可以看出，當(dāng)施加電磁攪拌時(shí)，由電磁力引起的強(qiáng)制對(duì)流將促進(jìn)柱狀晶的折斷或熔斷，最終在鑄坯內(nèi)部形成大量的等軸晶，見圖4d。另一方面，電磁攪拌引發(fā)的強(qiáng)制對(duì)流，促進(jìn)了鑄坯心部熔體過熱的散失，加速傳熱并降低了溫度梯度。根據(jù)凝固前沿液相內(nèi)的成分過冷理論公式，合金液凝固時(shí)界面前沿的成分過冷度為：

狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，增加電磁攪拌的電流強(qiáng)度，將會(huì)增大電磁力，加劇熔體的流動(dòng)，產(chǎn)生了更好的細(xì)晶效果。

2.2  電磁攪拌對(duì)Incoloy825合金宏觀偏析的影響

 Incoloy825高溫合金的脆性溫度區(qū)間較寬，在凝固過程中產(chǎn)生裂紋的傾向性很大。然而C元素的宏觀偏析將加劇合金晶間開裂的傾向性，因此C元素的分布情況將直接影響到Incoloy825合金的力學(xué)性能。

 圖5為不同電流強(qiáng)度的電磁攪拌下鑄坯內(nèi)部C元素的偏析指數(shù)（即該點(diǎn)的實(shí)測(cè)含量與合金原始成分的比值）�？梢钥闯觯�未施加電磁攪拌的Incoloy825高溫合金鑄坯內(nèi)部的C元素偏析指數(shù)最高，說明C元素的宏觀偏析非常嚴(yán)重。而施加電磁攪拌的鑄坯內(nèi)部C元素偏析指數(shù)明顯降低，且隨著電流強(qiáng)度的增大進(jìn)一步減小，這證明了施加電磁攪拌后鑄坯內(nèi)部的C元素分布更加均勻。電磁攪拌抑制Incoloy825合金鑄坯的C偏析的原理主要和影響鑄坯內(nèi)的二次枝晶臂間距有關(guān)。

 圖6為不同電流強(qiáng)度的電磁攪拌作用下，In-coloy825合金鑄坯內(nèi)的二次枝晶臂間距的變化。可以看出各組鑄坯內(nèi)的二次枝晶臂間距都是由冷卻端向中心處逐漸增大。在冷卻端由于水冷銅模的激冷作用，凝固初始時(shí)有無(wú)電磁攪拌的鑄坯內(nèi)二次枝晶臂間距差別不大。隨著凝固的進(jìn)行，未施加電磁攪拌的鑄坯二次枝晶臂間距急劇增加，而施加電磁攪拌抑制了二次枝晶臂間距的增長(zhǎng)速度，使其與未施加電磁攪拌的差距逐漸加大，在鑄坯心部達(dá)到最大，明顯小于未施加電磁攪拌的鑄坯內(nèi)的二次枝晶臂間距。而且隨著電流強(qiáng)度的增加，與未施加電磁攪拌的相差更大。這是因?yàn)楫?dāng)施加電磁攪拌所引起的強(qiáng)制對(duì)流促使鑄坯內(nèi)外熔體的充分混合，

加快熔體的傳熱，提高了冷卻速率。根據(jù)枝晶間距與冷卻速率的經(jīng)典關(guān)系式：

二次枝晶臂間距不斷增大，枝晶間形成較大的“通道”，而凝固前沿的溶質(zhì)不斷富集并被推向液相區(qū)，逐漸形成了溶質(zhì)富集的合金液，這些富集溶質(zhì)的合金液透過較寬的枝晶間“通道”流向鑄坯中心并富集在此處，形成了宏觀偏析。施加電磁攪拌可以增加冷卻速率，減小了二次枝晶臂間距，因而降低了鑄坯的宏觀偏析程度。

2.3  電磁攪拌對(duì)Incoloy825合金微觀偏析的影響

 在Incoloy825合金凝固過程中，隨著枝晶的生長(zhǎng)，溶質(zhì)元素發(fā)生重新分配，造成了枝晶干和枝晶間局部區(qū)域元素的微觀偏析。微觀偏析的程度可由元素的偏析比表示，是枝晶間測(cè)得的最大（正偏析）或最�。ㄘ�(fù)偏析）溶質(zhì)濃度與在枝晶干心部測(cè)得的最小或最大溶質(zhì)濃度的比值，無(wú)論是元素正偏析還是負(fù)偏析，其值越接近1，表明元素的微觀偏析程度越輕，元素分布越均勻。利用電子探針在鑄坯心部隨機(jī)測(cè)取5對(duì)相應(yīng)的枝晶間和枝晶干區(qū)域的元素溶質(zhì)濃度，計(jì)算并取平均值。

 圖7為不同電流強(qiáng)度的電磁攪拌條件下，In-coloy825合金各元素的微觀偏析比。由圖7可見，未施加電磁攪拌的鑄坯中許多元素都存在著較為嚴(yán)重的微觀偏析，其中Ti元素的微觀偏析最為嚴(yán)重，這可能會(huì)促進(jìn)一些有害的析出物的析出和長(zhǎng)大，如TiNc。施加電磁攪拌以后，鑄坯中各元素的微觀偏析明顯改善，而且隨著電流強(qiáng)度的提高，微觀偏析程度進(jìn)一步降低。這主要是由于施加電磁攪拌后，電磁力對(duì)熔體產(chǎn)生的強(qiáng)制對(duì)流不僅改變了熔體的溫度場(chǎng)，而且也改變了合金凝固過程中的傳質(zhì)。電磁力引發(fā)的強(qiáng)制對(duì)流加快了固／液界面前沿富集元素的運(yùn)動(dòng)速度，顯著降低了固／液界面前、沿熔體中溶質(zhì)元素的富集程度，并促進(jìn)液穴內(nèi)熔體成分的均勻化，從而抑制了合金微觀偏析的程度。此外，隨著電流強(qiáng)度的增加，電磁力逐漸增大，增強(qiáng)了對(duì)熔體的攪拌作用，進(jìn)一步抑制了微觀偏析的程度。

3  結(jié)  論

 (1)在Incoloy825高溫合金的凝固過程中，施加電磁攪拌可以有效地細(xì)化合金的晶粒組織并增加等軸晶含量。當(dāng)電磁攪拌電流強(qiáng)度從150 A增加到300 A時(shí)，中心等軸晶的平均晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化，從300 ) μm減小至210μm，同時(shí)中心等軸晶含量由66. 7%增加到77. 5%。

 (2)未施加電磁攪拌的鑄坯內(nèi)部C元素宏觀偏析嚴(yán)重，在施加電磁攪拌后，鑄坯內(nèi)的冷卻速率增加，導(dǎo)致二次枝晶臂間距減小，抑制了C元素的宏觀偏析程度。此外，電流強(qiáng)度的增加進(jìn)一步抑制了鑄坯內(nèi)部C元素的宏觀偏析。

 (3)未施加電磁攪拌時(shí)．鑄坯內(nèi)部各元素均有不同程度的微觀偏析，最為嚴(yán)重的是Ti元素。施加電磁攪拌后，鑄坯內(nèi)部各元素微觀偏析比減小，且隨著電流強(qiáng)度的增加，微觀偏析程度明顯減輕，鑄坯質(zhì)量得到明顯改善。