·1454 工程科学学报，第43卷，第11期 合核心的有效性 及扫描电镜观察到液滴内部微观组织如图9所示. 国内成国光课题组首次提出了Ti2O,-TN复 液滴内部的微观组织由细小的枝晶组成，进一步 合核心，并研究了复合核心对430铁素体不锈钢 观察发现视场中存在一些通过Ti2O,-TN复合核 凝固组织的影响1631.Hou和Cheng等6在实验室 心非均质形核形成的等轴枝晶，提供了Ti,O3-TN 条件下冶炼Fe-18Cr不锈钢铸锭，并基于实验现 复合核心诱导非均质形核的直接证据， 象和错配度理论，计算了T2O,对TN夹杂的异 质形核能力，结果发现两者之间的错配度在 13.61%左右，说明Ti2O3无法促进TiN的形成，但 实际观察却发现试样中存在大量TiO3-TN复合 核心，因此认为错配度理论存在一定的局限性， 主要受到计算过程中低指数晶面和晶向选择的 影响：进一步，Hou等的分析了国内钢厂生产的 Ti、Nb双稳定Fe-18Cr不锈钢连铸坯，利用EBSD 直接测量了连铸坯中T,O,、镁铝尖晶石、TN及 δ-Fe之间的晶体取向关系，并利用错配度计算模 型，计算得到Ti203和TN之间的错配度为0.6%， (a) I cm (b)Icm 镁铝尖晶石和TN之间的错配度为4.82%，TN和 图8Ti合金化对铸态组织的影响.(a)不含Ti的铸锭：(b)含Ti铸锭 δ-Fe之间的错配度为3.57%，从原理上解释了 Fig.8 As-cast structure of ferritic stainless steel:(a)without Ti addition; Ti2O3TiN复合核心作为δ-Fe异质形核剂的有效 (b)with Ti addition 性.Fu等6也利用EBSD进行了研究，并得到同 样的结果 Shown in (by 4.2Ti20,-TiN复合核心的形成条件及效果 为了揭示复合核心的形成条件，Hou等阿利 用Factsage热力学计算软件分析了Fe-I8Cr超纯 铁素体不锈钢中Ti、A1、O元素含量对复合核心形 成的影响，发现需要控制钢液中T元素质量分数 超过0.14%.溶解氧质量分数在9×106~1.2×105 范围内，A1元素质量分数小于1.5×10，才能促进 Shown in (c) 50 um Ti,O,-TN复合核心在凝固过程中形成，改善不锈 钢凝固组织；实验验证67表明，当FC18Cr铸锭中 b Ti元素质量分数从0.16%降低到0.14%时，Ti203 TN复合核心的密度降低70%，分析发现Ti元素 含量的降低，使得氧化钛从Ti2O3转变为TiO5,从 而减少了复合核心的析出，降低了不锈钢铸锭中 5 um 5 um 等轴品率 合理控制钢液中AI、O、Ti元素含量后， 国9快速冷却后液滴组织形貌(a)和形核核心(b,c) Hou和Chengl6在实验室内冶炼得到不添加Ti元 Fig.9 Microstructure of ferritic stainless steel droplet after rapid cooling 素和Ti元素质量分数为0.2%的Fe-18Cr铁素体 (a)and heterogeneous nucleation of 8-Fe(b,c) 不锈钢铸锭.随着T元素的添加，铸锭中第二相 5Ti元素对不锈钢铸件力学性能的影响 从球形的SiO2转变为大量的Ti,O3-TN复合核 心，而且凝固组织中等轴晶比例从0%左右增加 不锈钢中Ti元素除了形成氧化物和Ti(C,N) 到100%，改善凝固组织的效果十分明显，如图8 析出物等化合物，还可以以固溶的形式存在.T是 所示；进一步，Hou和Cheng!6利用真空感应滴落 铁素体稳定元素，可以提高奥氏体不锈钢中铁素 快速冷却装置进行含钛超纯铁素体不锈钢的滴落 体含量.Son等o和Jang等I-四研究N、Cr和Mo 实验，得到快冷滴落实验样品，通过光学显微镜以 元素含量对CD4 CU(Fe-25Cr-5Ni铸造双相不合核心的有效性. 国内成国光课题组首次提出了 Ti2O3−TiN 复 合核心，并研究了复合核心对 430 铁素体不锈钢 凝固组织的影响[63] . Hou 和 Cheng 等[64] 在实验室 条件下冶炼 Fe−18Cr 不锈钢铸锭，并基于实验现 象和错配度理论，计算了 Ti2O3 对 TiN 夹杂的异 质形核能力 ，结果发现两者之间的错配度 在 13.61% 左右，说明 Ti2O3 无法促进 TiN 的形成，但 实际观察却发现试样中存在大量 Ti2O3−TiN 复合 核心，因此认为错配度理论存在一定的局限性， 主要受到计算过程中低指数晶面和晶向选择的 影响；进一步，Hou 等[65] 分析了国内钢厂生产的 Ti、Nb 双稳定 Fe−18Cr 不锈钢连铸坯，利用 EBSD 直接测量了连铸坯中 Ti2O3、镁铝尖晶石、TiN 及 δ-Fe 之间的晶体取向关系，并利用错配度计算模 型，计算得到 Ti2O3 和 TiN 之间的错配度为 0.6%， 镁铝尖晶石和 TiN 之间的错配度为 4.82%，TiN 和 δ-Fe 之间的错配度 为 3.57%，从原理上解释 了 Ti2O3−TiN 复合核心作为 δ-Fe 异质形核剂的有效 性. Fu 等[66] 也利用 EBSD 进行了研究，并得到同 样的结果. 4.2    Ti2O3−TiN 复合核心的形成条件及效果 为了揭示复合核心的形成条件，Hou 等[65] 利 用 Factsage 热力学计算软件分析了 Fe−18Cr 超纯 铁素体不锈钢中 Ti、Al、O 元素含量对复合核心形 成的影响，发现需要控制钢液中 Ti 元素质量分数 超过 0.14%，溶解氧质量分数在 9×10−6～1.2×10−5 范围内，Al 元素质量分数小于 1.5×10−4，才能促进 Ti2O3−TiN 复合核心在凝固过程中形成，改善不锈 钢凝固组织；实验验证[67] 表明，当 Fe−18Cr 铸锭中 Ti 元素质量分数从 0.16% 降低到 0.14% 时，Ti2O3− TiN 复合核心的密度降低 70%，分析发现 Ti 元素 含量的降低，使得氧化钛从 Ti2O3 转变为 Ti3O5，从 而减少了复合核心的析出，降低了不锈钢铸锭中 等轴晶率. 合 理 控 制 钢 液 中 Al、 O、 Ti 元 素 含 量 后 ， Hou 和 Cheng[68] 在实验室内冶炼得到不添加 Ti 元 素和 Ti 元素质量分数为 0.2% 的 Fe−18Cr 铁素体 不锈钢铸锭. 随着 Ti 元素的添加，铸锭中第二相 从球形的 SiO2 转变为大量的 Ti2O3−TiN 复合核 心，而且凝固组织中等轴晶比例从 0% 左右增加 到 100%，改善凝固组织的效果十分明显，如图 8 所示；进一步，Hou 和 Cheng[69] 利用真空感应滴落 快速冷却装置进行含钛超纯铁素体不锈钢的滴落 实验，得到快冷滴落实验样品，通过光学显微镜以 及扫描电镜观察到液滴内部微观组织如图 9 所示. 液滴内部的微观组织由细小的枝晶组成，进一步 观察发现视场中存在一些通过 Ti2O3−TiN 复合核 心非均质形核形成的等轴枝晶，提供了 Ti2O3−TiN 复合核心诱导非均质形核的直接证据. (a) (b) 1 cm 1 cm 图 8 Ti 合金化对铸态组织的影响. （a）不含 Ti 的铸锭；（b）含 Ti 铸锭 Fig.8 As-cast structure of ferritic stainless steel: (a) without Ti addition; (b) with Ti addition (a) (b) (c) Shown in (b) Shown in (c) 50 μm 5 μm 5 μm 图 9 快速冷却后液滴组织形貌（a）和形核核心（b, c） Fig.9 Microstructure of ferritic stainless steel droplet after rapid cooling (a) and heterogeneous nucleation of δ-Fe (b, c) 5    Ti 元素对不锈钢铸件力学性能的影响 不锈钢中 Ti 元素除了形成氧化物和 Ti(C, N) 析出物等化合物，还可以以固溶的形式存在. Ti 是 铁素体稳定元素，可以提高奥氏体不锈钢中铁素 体含量. Son 等[70] 和 Jang 等[71−72] 研究 N、Cr 和 Mo 元素含量对 CD4MCU(Fe−25Cr−5Ni) 铸造双相不 · 1454 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期