180 工程科学学报，第42卷，第2期 evaluates two kinds of austenitic stainless steel solidification path criteria. KEY WORDS austenitic stainless steel;thermodynamic simulation;solidification microstructure;delta phase;silicon 奥氏体不锈钢以其优异的耐蚀性、适宜的强 对合金凝固组织的影响 度和良好的加工性能在诸多领域有着广泛应用 1 实验方法 在厨具、生活用品制造等较为成熟的民生产业， 以304、316等为代表的奥氏体不锈钢已经能够很 本实验设计了五种不同Cr和Si元素含量的 好的满足生产对于材料的需求)但在火电、核 合金成分，如表1所示.五种合金成分根据Cr和 电等关键能源领域，材料的优化和进步始终没有 Si元素含量，分别命名为Cr20-Si2.0、Cr18-Si2.0、 停止.铅基反应堆是我国第四代核能系统参考堆 Crl6-Si2.0、Cr18-Si2.5和Cr18-Si1.5. 型之一，因其具有技术成熟性好、特性优良、固有 安全性高等优点受到了国内外核能发展领域的高 表1合金设计成分（质量分数） 度重视).铅基反应堆使用铅或铅铋共晶合金 Table 1 Design compositions of alloys % (LBE)作为冷却剂，液态铅铋合金化学反应惰性， 试样 C Cr Si Mo Ni Ti Cu Mn Fe 安全性高，但其对金属结构材料具有较强的腐蚀 Cr20-Si2.00.06202.01.5150.361.51.5余量 性，耐液态铅铋腐蚀合金的开发限制了铅基反应 Cr18-S2.00.06182.01,5150.361.51.5余量 堆的发展 Cr16-Si2.00.06162.01.5150.361.51.5余量 Cr元素和Si元素是常见的能够提高材料耐蚀 C18-Si2.50.06182.51.5150.361.51.5余量 性的合金元素.Cr元素可促进奥氏体不锈钢发生 Cr18-Si1.50.06181.51.5150.361.51.5余量 外氧化，在材料表面形成致密的保护性氧化膜，提 实验首先采用Thermo-Calc热力学软件(TCFE8 高材料耐蚀性，S元素可扩散至材料表面的氧化 膜中，在膜层富集甚至形成SiO2,能够有效保护材 数据库)对五种合金成分进行平衡态相图计算，分 料表面，防止液态铅铋向合金内部渗透或合金元 析合金在不同温度的相组成.其次，实验采用真空 素向外溶出-).在奥氏体不锈钢中提高Cr含量、 感应冶炼制备五种设计成分的合金铸锭，铸锭质 并添加S元素有望获得具有优良耐液态铅铋腐蚀 量为25kg,直径为120mm,冶炼分析成分如表2 性能的奥氏体不锈钢.但众所周知，Cr和Si元素 所示. 属于铁素体形成元素，它们的加入能够降低奥氏体 为对铸锭的显微组织进行分析同时验证热力 组织的稳定性，并有可能引发铁素体相的析出0 学计算结果，实验在铸锭底部1/2半径位置对称取 铁素体对材料的高温性能和耐蚀性能有害山，应 样两处，样品尺寸15mm×15mm×15mm.铸锭样 予以避免.目前S1元素对奥氏体不锈钢组织性能 品经砂纸打磨与机械抛光后，在腐蚀剂(30mL甘 影响的相关研究也相对缺乏.因此，为获得耐蚀合 油+10 mL HNO3+20mLHF)中浸蚀6min以显露金 金元素的适宜加入量，有必要研究Cr和Si元素对 相组织.样品微观组织形貌观察使用金相显微镜 于奥氏体不锈钢组织稳定性的影响. (OM)与SSX-550型扫描电子显微镜(SEM),析出 本工作以316Ti奥氏体不锈钢为基础，通过调 相化学成分与结构分析使用能谱分析仪(EDS)与 整合金Cr和Si元素含量，研究Cr和Si元素含量 X射线衍射分析仪(XRD) 表2合金铸锭检测成分（质量分数） Table 2 Chemical-tested compositions of ingots % 试样 Cr Si Mo Ni Ti Cu Mn Al Fe Cr20-Si2.0 0.063 19.74 2.01 1.52 15.01 0.36 1.60 1.48 0.0032 0.029 余量 Cr18-Si2.0 0.063 17.71 1.99 1.51 15.30 0.37 1.53 1.48 0.0024 0.030 余量 Cr16-Si2.0 0.066 15.76 2.01 1.50 15.21 0.37 1.54 1.49 0.0022 0.032 余量 Cr18-Si2.5 0.063 17.81 2.51 1.55 15.07 039 1.54 1.47 0.0026 0.029 余量 Cr18-Si1.5 0.065 17.73 1.53 1.54 15.22 0.38 1.52 1.49 0.0026 0.031 余量evaluates two kinds of austenitic stainless steel solidification path criteria. KEY WORDS    austenitic stainless steel；thermodynamic simulation；solidification microstructure；delta phase；silicon 奥氏体不锈钢以其优异的耐蚀性、适宜的强 度和良好的加工性能在诸多领域有着广泛应用. 在厨具、生活用品制造等较为成熟的民生产业， 以 304、316 等为代表的奥氏体不锈钢已经能够很 好的满足生产对于材料的需求[1−2] . 但在火电、核 电等关键能源领域，材料的优化和进步始终没有 停止. 铅基反应堆是我国第四代核能系统参考堆 型之一，因其具有技术成熟性好、特性优良、固有 安全性高等优点受到了国内外核能发展领域的高 度重视[3] . 铅基反应堆使用铅或铅铋共晶合金 （LBE）作为冷却剂，液态铅铋合金化学反应惰性， 安全性高，但其对金属结构材料具有较强的腐蚀 性，耐液态铅铋腐蚀合金的开发限制了铅基反应 堆的发展[4−5] . Cr 元素和 Si 元素是常见的能够提高材料耐蚀 性的合金元素. Cr 元素可促进奥氏体不锈钢发生 外氧化，在材料表面形成致密的保护性氧化膜，提 高材料耐蚀性[6] ；Si 元素可扩散至材料表面的氧化 膜中，在膜层富集甚至形成 SiO2，能够有效保护材 料表面，防止液态铅铋向合金内部渗透或合金元 素向外溶出[7−8] . 在奥氏体不锈钢中提高 Cr 含量、 并添加 Si 元素有望获得具有优良耐液态铅铋腐蚀 性能的奥氏体不锈钢. 但众所周知，Cr 和 Si 元素 属于铁素体形成元素，它们的加入能够降低奥氏体 组织的稳定性，并有可能引发铁素体相的析出[9−10] . 铁素体对材料的高温性能和耐蚀性能有害[11] ，应 予以避免. 目前 Si 元素对奥氏体不锈钢组织性能 影响的相关研究也相对缺乏. 因此，为获得耐蚀合 金元素的适宜加入量，有必要研究 Cr 和 Si 元素对 于奥氏体不锈钢组织稳定性的影响. 本工作以 316Ti 奥氏体不锈钢为基础，通过调 整合金 Cr 和 Si 元素含量，研究 Cr 和 Si 元素含量 对合金凝固组织的影响. 1    实验方法 本实验设计了五种不同 Cr 和 Si 元素含量的 合金成分，如表 1 所示. 五种合金成分根据 Cr 和 Si 元素含量，分别命名为 Cr20−Si2.0、Cr18−Si2.0、 Cr16−Si2.0、Cr18−Si2.5 和 Cr18−Si1.5. 实验首先采用 Thermo-Calc 热力学软件（TCFE8 数据库）对五种合金成分进行平衡态相图计算，分 析合金在不同温度的相组成. 其次，实验采用真空 感应冶炼制备五种设计成分的合金铸锭，铸锭质 量为 25 kg，直径为 120 mm，冶炼分析成分如表 2 所示. 为对铸锭的显微组织进行分析同时验证热力 学计算结果，实验在铸锭底部 1/2 半径位置对称取 样两处，样品尺寸 15 mm×15 mm×15 mm. 铸锭样 品经砂纸打磨与机械抛光后，在腐蚀剂（30 mL 甘 油+10 mL HNO3+20 mL HF）中浸蚀 6 min 以显露金 相组织. 样品微观组织形貌观察使用金相显微镜 （OM）与 SSX-550 型扫描电子显微镜（SEM），析出 相化学成分与结构分析使用能谱分析仪（EDS）与 X 射线衍射分析仪（XRD）. 表 1    合金设计成分（质量分数） Table 1    Design compositions of alloys % 试样 C Cr Si Mo Ni Ti Cu Mn Fe Cr20−Si2.0 0.06 20 2.0 1.5 15 0.36 1.5 1.5 余量 Cr18−Si2.0 0.06 18 2.0 1.5 15 0.36 1.5 1.5 余量 Cr16−Si2.0 0.06 16 2.0 1.5 15 0.36 1.5 1.5 余量 Cr18−Si2.5 0.06 18 2.5 1.5 15 0.36 1.5 1.5 余量 Cr18−Si1.5 0.06 18 1.5 1.5 15 0.36 1.5 1.5 余量 表 2 合金铸锭检测成分（质量分数） Table 2  Chemical-tested compositions of ingots % 试样 C Cr Si Mo Ni Ti Cu Mn N Al Fe Cr20−Si2.0 0.063 19.74 2.01 1.52 15.01 0.36 1.60 1.48 0.0032 0.029 余量 Cr18−Si2.0 0.063 17.71 1.99 1.51 15.30 0.37 1.53 1.48 0.0024 0.030 余量 Cr16−Si2.0 0.066 15.76 2.01 1.50 15.21 0.37 1.54 1.49 0.0022 0.032 余量 Cr18−Si2.5 0.063 17.81 2.51 1.55 15.07 0.39 1.54 1.47 0.0026 0.029 余量 Cr18−Si1.5 0.065 17.73 1.53 1.54 15.22 0.38 1.52 1.49 0.0026 0.031 余量 · 180 · 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期