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研究背景

超级奥氏体不锈钢S32654合金含量很高，凝固质量很差（枝晶粗大、Mo偏析和有害相析出十分严重），导致热塑性严重降低，热加工极易开裂。虽然高温均质处理能减轻偏析和析出，改善热加工性能，但高温长时间处理会导致灾难性氧化和晶粒过度长大，不仅降低成材率和表面质量，还恶化产品的组织均匀性和性能。因此，细化凝固组织、抑制偏析和析出至关重要，从而减轻均质化负担，改善热变形微观组织。近年来，喂钢带和稀土微合金化技术已被用于改善超级奥氏体不锈钢的凝固质量。然而，喂钢带对均质化和热变形行为影响研究尚无报道。稀土微合金化可同时提高凝固量和热塑性，但容易导致水口堵塞，影响连铸顺行。因此，开发一种结合喂钢带和稀土微合金化优势并避免其缺点的方法，对于提升超级奥氏体不锈钢的凝固质量和热加工性能至关重要。本文提出了将含Ce钢带喂入S32654不锈钢液的策略，旨在利用喂钢带与稀土微合金化的协同效应提升凝固和热加工质量，并揭示其相关作用机制。该策略有望成为全面提升超级奥氏体不锈钢凝固和热加工性能的有效方法。

本文亮点

图文解析

图1 (a)−喂带过程示意图, (b)−取样方法示意图

图2为空白钢和F-Ce钢的宏观和微观凝固组织及统计结果。空白钢和F-Ce钢的等轴晶面积分数分别为20.8%和54.3%，等轴晶粒尺寸分别为4.59 mm和1.22 mm，二次枝晶间距分别为80.3 μm和54.7 μm。可以发现，喂含Ce钢带显著拓宽了等轴晶区，促进了CET转变向锭边缘移动，显著细化了等轴晶晶粒，缩小了二次枝晶间距，从而显著改善了铸态组织的均匀性。

图2 实验钢的宏观和微观凝固组织及统计结果

(a)−空白钢, (b)−F-Ce钢, (c)−等轴晶粒面积比值, (d)−等轴晶粒等效直径, (e)−SDAS

图3为空白钢和F-Ce钢铸锭中心微观组织及Mo元素分布。空白钢中存在明显的Mo偏析现象，Mo偏析系数为1.97，枝晶间形成大尺寸且连续分布的σ相，面积分数为7.98%。喂含Ce钢带后，Mo偏析系数降至1.34，σ相变为细小球形，面积分数为1.11%。表明喂含Ce钢带显著减轻了Mo偏析，抑制了σ相形成。

图3 铸锭中心微观组织及Mo元素分布

(a)−空白钢, (b)−F-Ce钢, (c)−σ相面积分数, (d)−Mo含量和Mo偏析系数, 

(e)(f)−空白钢和F-Ce钢Mo偏析测量位置, (g)−Mo偏析区线扫结果, (h)−Mo偏析区平均宽度

图4总结了喂含Ce钢带改善凝固组织的作用机理。首先，喂带促进熔融钢液快速过冷；其次，熔融钢液中产生的大量漂浮枝晶和含Ce夹杂物，为新枝晶提供了大量形核位点；第三，溶质[Ce]增强了成分过冷。这三方面作用共同拓宽了等轴晶区，并细化了枝晶，进一步分散了富Mo区域，减轻了Mo偏析。因此，富钼σ相的形核和生长受到了限制，导致其细小弥散分布。

图5 1200°C均质化不同时间的典型微观组织和相应统计结果

(a)−空白钢, (b)−F-Ce钢, (c)−σ相面积分数, (d)−Mo偏析系数

图6为基于不同形状σ相的回溶模型计算出σ相尺寸随时间的变化关系以及空白钢中σ相的STEM分析结果。可以看出，长条状σ相完全溶解时间为9.1 h，大尺寸不规则多边形σ相完全溶解时间为25 h。而F-Ce钢中的σ相溶解时间显著缩短至1.69 h。这是因为高温降低了σ相热稳定性，提高了基体中Cr和Mo的固溶度和扩散速率，同时，σ/γ界面周围高Cr和Mo浓度梯度为化学扩散提供了强烈驱动力，导致贫化区逐渐愈合，元素分布趋于均匀。相比之下，F-Ce钢中σ相更小、更少，Mo偏析区域更窄，其溶解时间明显缩短。因此，喂含Ce钢带显著加速了σ相溶解和Mo元素均匀化过程。

图6 1200℃均质化过程中σ相尺寸随时间的变化关系和空白钢中σ相的STEM分析结果

(a)−空白钢, (b)−F-Ce钢, (c)(d)−均质化前, (e)(f)−1200°C均质化4 h

图7为1200℃的热变形测试结果和变形组织EBSD分析结果。真应力-应变曲线表现出相似的变化趋势，说明喂含Ce钢带并未增加热加工难度。从变形组织可以看出，空白钢仍存在明显的不均匀特征，原始大尺寸奥氏体晶粒与沿晶界分布的细小再结晶颗粒形成了典型的链状结构。喂含Ce钢带后，变形组织更加均匀，动态再结晶（DRX）程度显著提升，DRX面积占比从22.5%（空白钢）显著提升至79.5%，HAGB从65.1%（空白钢）显著提升至81.9%。

图7 1200℃热变形测试结果和变形组织EBSD分析

(a)−真应力-应变曲线, (b)−峰值应力, (c)−空白钢, (d)−F-Ce钢, (e)−DRX分数, (f)−平均DRX晶粒尺寸, (g)−大角度晶界比例

图8和图9分别为1200°C变形组织的TEM和EBSD表征结果。可以看出，在空白钢中DRX晶粒的晶界处形成了更多更大的σ相，而F-Ce钢中形成了较少较小的σ相。这是因为喂含Ce钢带通过细化初始微观组织显著促进了不连续动态再结晶（DDRX），并通过降低堆垛层错能增强了连续动态再结晶（CDRX），从而显著提升了DRX程度，并降低了应变诱导析出倾向。均质化后Mo元素分布更均匀，进一步抑制了热变形过程中σ相的析出，同时也降低了对DRX充分发展的限制。因此，喂含Ce钢带通过促进DRX并抑制应变诱导析出，显著提升了S32654变形组织的均匀性。

图8 实验钢在1200°C变形后典型微观组织的TEM表征

(a)(c)−空白钢, (b)(d)−F-Ce钢中析出相形貌、衍射图谱和线扫描结果

图9 1200℃变形后两种钢的EBSD分析结果

(a)−空白钢, (b)−F-Ce钢, (c)−σ相面积分数, (d)−GND密度分布

总结与展望

本文针对超级奥氏体不锈钢S32654凝固质量差和热加工极易开裂难题，提出喂含Ce钢带策略，显著改善了凝固、均质化和热加工质量。同时，阐明了喂含Ce钢带对凝固、均质化和热加工组织的影响机理：在凝固过程，含Ce钢带加速钢液冷却并形成游离枝晶，含Ce夹杂物促进枝晶形核，固溶Ce强化成分过冷，这三方面协同作用显著拓宽了等轴晶区，细化了凝固组织，减轻了Mo偏析和σ相析出；在高温均质化过程，较窄的Mo偏析区缩短了Mo元素扩散距离，细小的σ相提高其回溶速率，显著缩短了均质化时间；在热变形过程，喂含Ce钢带提升了动态再结晶程度，降低了应变诱导析出倾向，改善了热变形组织。本研究为改善高合金不锈钢凝固质量和解决热加工开裂难题提供了新思路，对促进高合金超级不锈钢的工业化进程具有重要意义。

作者介绍

姜周华，东北大学二级教授、博导，特殊钢先进冶金工艺和装备教育部工程研究中心主任、东北大学沈抚工业技术研究院院长、第八届国务院学科评议组成员、第八届教育部科技委委员，澳大利亚昆士兰大学和乌克兰国立冶金大学名誉教授，中国金属学会电冶金分会副主任、特殊钢分会副主任，《钢铁》副主编，《Int.  J. Miner., Metall.  Mater.》、《特殊钢》编委。主要从事高品质特殊钢和特种合金的冶金工艺、装备和品种开发研究，主持重点研发计划、国家支撑计划、重点基金项目等国家级项目20余项，企业合作项目150余项。获国家科技进步一等奖1项（排名第1）、二等奖2项，省部级科技奖15项，制定国际标准2项、国家标准3项，是中国首位获“IEC1906”国际标准奖的专家。入选辽宁省“百千万人才工程”百人层次、辽宁省“兴辽英才”计划，获国务院政府特殊津贴，获全国先进工作者、第二届全国创新争先奖状、第四届和第五届杰出工程师奖、辽宁省杰出科技工作者。发表论文500余篇，教材专著9部，授权发明专利140余件。

李花兵，东北大学教授、博导，冶金学院副院长，国家级人才项目入选者，特殊钢先进冶金工艺和装备教育部工程研究中心副主任，辽宁省特种钢冶炼重点实验室副主任，中国金属学会不锈钢分会委员，担任  Metall. Mater. Trans. B (key reader)、金属学报、J. Cent. South.  Univ.等期刊编委。入选2020、2022-2024年度全球前2%顶尖科学家榜单，2024年爱思唯尔“中国高被引学者”。长期从事高品质特殊钢冶炼工艺及新品种研发。主持钢铁联合重点基金、重点研发计划等项目30余项，一作/通讯在Nat.  Commun.、Corros.  Sci.、JMST等发表SCI论文200余篇，出版专著6部，授权发明专利90余项，获国家科技进步一等奖1项，省部级科技奖7项(一等5，二等2)。入选辽宁省“兴辽英才”计划、辽宁省百千万人才工程“百人层次”等。获中国金属学会冶金青年科技奖、辽宁省优秀科技工作者等荣誉。

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