王  菲1，2  王  韬1，3  张兴武1，3  邓安元1，3  王恩刚1，3

 （1．东北大学材料电磁过程教育部重点实验室；2．东北大学材料科学与工程学院；3．东北大学冶金学院）

摘要研究了电磁搅拌对Incoloy825高温合金凝固组织及凝固过程中溶质元素偏析的影响。结果表明，在合金凝固过程中，施加电磁搅拌能够有效细化晶粒组织，同时增加等轴晶比例。当电磁搅拌电流强度由150 A增加到300 A时，铸坯中晶粒尺寸由300 Um减小至210rlm，同时等轴晶含量由66. 7%增至77. 5%。未施加电磁搅拌的Incoloy825高温合金铸坯内部的宏观偏析和微观偏析均比较严重，通过施加电磁搅拌，引起熔体强制对流，使熔体内部传热和传质得到改善，同时增大了冷却速率使二次枝晶臂间距减小，并促进液穴内熔体成分的均匀化，大幅度降低了合金元素的偏析程度。

关键词Incoloy825高温合金；电磁搅拌；凝固；偏析

中图分类号  TG132.3+3；TG146.1+5 文献标志码  ADOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 001

 Incoloy825合金是一种添加了Mo、Cu、Ti、AI、M n和Si的Ni-Fe-Cr基固溶强化高温合金，它可在还原性和氧化性介质中使用。Incoloy825高温合金具有抗Cl-应力腐蚀开裂，抗点蚀、缝隙腐蚀以及其他多种腐蚀性溶液的能力。此外，在550 0C高温环境下使用也能保持良好的力学性能，因而广泛应用于航空航天、能源、化工和交通运输等领域。随着Incoloy825合金需求量的大幅增加，针对该合金的连铸工艺技术的开发成为实现其大批量生产的重要手段。但是在连铸生产中，由于Incoloy825合金元素含量高，且在连铸过程中铸坯内部的温度和溶质浓度分布不均匀，会促使铸坯内部产生严重的偏析和晶粒粗大等问题。为消除偏析对合金的危害，在铸坯的后续加工中要进行热处理等工序，不但消耗大量能源而且也延长了生产周期。

 电磁搅拌技术是对金属凝固过程进行控制的一种有效手段。其原理是利用电磁力来强化液穴中金属液的运动，从而影响金属液凝固过程中的流动、传热和迁移过程，减少柱状晶组织并增加等轴晶含量，减小成分偏析，从而达到改善铸坯质量的目的。目前电磁搅拌技术已经成功地应用于多种合金的连铸过程中并取得良好的效果。因此，本课题通过在Incoloy825高温合金的凝固过程中施加水平线性电磁搅拌，研究了电磁搅拌对Incoloy825高温合金组织及元素偏析的影响。

1  试验材料与方法

 试验用Incoloy825合金的化学成分（质量分数，下同）为：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，余量为Fe。将棒材切成多段，放人中频感应炉中熔炼，在1 460℃时浇人试验装置内（见图1）并盖上保温材料，同时通入Ar气，得到尺寸为120 mm×80 mm×130 mm的铸坯。试验装置采用水冷铜模进行单侧冷却并利用水平线性电磁搅拌器放置于水冷铜模同侧进行。因为实际生产的Incoloy825合金连铸坯主要为板坯，板坯连铸机结晶器的宽厚比大，不适合采用旋转型电磁搅拌，因而一般采用水平线性电磁搅拌。线性电磁搅拌的原理与旋转型电磁搅拌有所不同，旋转型电磁搅拌器相当于感应电动机的定子，当通入两相或三相交流电时，其磁极间产生一个旋转磁场。，磁场会使金属熔体中产生感应电流，载流金属熔体与磁场相互作用产生作用于熔体单元上的电磁力，从而推动金属熔体作水平旋转运动；而线性电磁搅拌器，其结构上可认为是一个圆柱形电感器的变形，即将电感器一边切开并拆装成扁平的装置。当搅拌器通入两相或三相交流电时，可以在铸坯中产生一个行波磁场并产生一个向磁场方向移动的电磁力，达到搅拌的目的。电磁搅拌器的频率为5

 Hz，电流强度分别为0、150、300 A。

 将所得试样从中间纵向切开截取铸坯纵截面，并切除顶端缩孔区域。试样经研磨抛光后，用王水腐蚀，并且根据GB6394-86测量晶粒尺寸并采用面积计量法来测定截面的等轴晶含量。用枝晶腐蚀液[CuSO4 (40 g)+H C l (50 m L)+H2O(50 m L)]腐蚀后进行合金的二次枝晶臂间距的观察和统计，每个区域在光学显微镜下连续拍摄30张图，再运用IPP图像处理软件进行二次枝晶臂间距的统计和计算。分别对不同电磁搅拌参数下铸坯试样进行成分分析。从试样的水冷端开始，每隔30 mm取一个点，对每个点钻屑取样，用Leca CS844碳硫分析仪进行测试，然后算出每个点的偏析指数来分析铸坯内的宏观偏析。此外，采用电子探针来测定铸坯心部的各元素微观偏析程度。

2  试验结果与分析

2.1  电磁搅拌对Incoloy825高温合金组织的影响

 图2为不同搅拌电流作用下的Incoloy825合金铸坯纵截面的宏观凝固组织，图3 为不同电流强度下铸坯的晶粒尺寸和等轴晶含量。由图2a-可以看出，未施加电磁搅拌的铸坯，其表层在激冷作用下形成细小的等轴晶晶层，向内为相互平行且沿着温度梯度方向生长的粗

大柱状晶组织，中心部为少量粗大的等轴晶组织。结合图3可知，未施加电磁搅拌的铸坯纵截面断面等轴晶含量仅为16. 7%，中心等轴晶的平均晶粒尺寸为5.8mm。施加电磁搅拌后，柱状晶组织的生长受到抑制，等轴晶组织明显增多，见图2b。当电流强度为150 A时，心部等轴晶含量增加至66. 7%，同时晶粒组织也得到明显细化，其中心部等轴晶的晶粒尺寸为3.0 mm。当电磁搅拌的电流强度增加到300 A时，心部的等轴晶组织得到进一步的扩大和细化，断面等轴晶含量增加至77. 5%，平均晶粒尺寸为2.1 mm。

 图4为有、无电磁搅拌下Incoloy825的微观枝晶组织。由图4可知，在电磁搅拌的作用下，Incoloy825高温合金铸坯的凝固组织得到明显改善，等轴晶含量明显增加，同时细化了晶粒尺寸，其机理主要为：一方面，电磁搅拌在熔体中产生电磁力，引发熔体的强制对流，

造成枝晶的折断和熔断，破碎的枝晶随着熔体流入铸坯心部成为异质核心，增大了异质形核的形核率，细化了晶粒组织并促进了等轴晶的形成。由图4a和图4b可以看出，未施加电磁搅拌的铸坯内部组织主要为平行于传热方向的单向柱状枝晶向中心区域迅速生长，中心区域同时会出现少量粗大的等轴晶。由图4c可以看出，当施加电磁搅拌时，由电磁力引起的强制对流将促进柱状晶的折断或熔断，最终在铸坯内部形成大量的等轴晶，见图4d。另一方面，电磁搅拌引发的强制对流，促进了铸坯心部熔体过热的散失，加速传热并降低了温度梯度。根据凝固前沿液相内的成分过冷理论公式，合金液凝固时界面前沿的成分过冷度为：

状晶向等轴晶的转变。与此同时，增加电磁搅拌的电流强度，将会增大电磁力，加剧熔体的流动，产生了更好的细晶效果。

2.2  电磁搅拌对Incoloy825合金宏观偏析的影响

 Incoloy825高温合金的脆性温度区间较宽，在凝固过程中产生裂纹的倾向性很大。然而C元素的宏观偏析将加剧合金晶间开裂的倾向性，因此C元素的分布情况将直接影响到Incoloy825合金的力学性能。

 图5为不同电流强度的电磁搅拌下铸坯内部C元素的偏析指数（即该点的实测含量与合金原始成分的比值）。可以看出，未施加电磁搅拌的Incoloy825高温合金铸坯内部的C元素偏析指数最高，说明C元素的宏观偏析非常严重。而施加电磁搅拌的铸坯内部C元素偏析指数明显降低，且随着电流强度的增大进一步减小，这证明了施加电磁搅拌后铸坯内部的C元素分布更加均匀。电磁搅拌抑制Incoloy825合金铸坯的C偏析的原理主要和影响铸坯内的二次枝晶臂间距有关。

 图6为不同电流强度的电磁搅拌作用下，In-coloy825合金铸坯内的二次枝晶臂间距的变化。可以看出各组铸坯内的二次枝晶臂间距都是由冷却端向中心处逐渐增大。在冷却端由于水冷铜模的激冷作用，凝固初始时有无电磁搅拌的铸坯内二次枝晶臂间距差别不大。随着凝固的进行，未施加电磁搅拌的铸坯二次枝晶臂间距急剧增加，而施加电磁搅拌抑制了二次枝晶臂间距的增长速度，使其与未施加电磁搅拌的差距逐渐加大，在铸坯心部达到最大，明显小于未施加电磁搅拌的铸坯内的二次枝晶臂间距。而且随着电流强度的增加，与未施加电磁搅拌的相差更大。这是因为当施加电磁搅拌所引起的强制对流促使铸坯内外熔体的充分混合，

加快熔体的传热，提高了冷却速率。根据枝晶间距与冷却速率的经典关系式：

二次枝晶臂间距不断增大，枝晶间形成较大的“通道”，而凝固前沿的溶质不断富集并被推向液相区，逐渐形成了溶质富集的合金液，这些富集溶质的合金液透过较宽的枝晶间“通道”流向铸坯中心并富集在此处，形成了宏观偏析。施加电磁搅拌可以增加冷却速率，减小了二次枝晶臂间距，因而降低了铸坯的宏观偏析程度。

2.3  电磁搅拌对Incoloy825合金微观偏析的影响

 在Incoloy825合金凝固过程中，随着枝晶的生长，溶质元素发生重新分配，造成了枝晶干和枝晶间局部区域元素的微观偏析。微观偏析的程度可由元素的偏析比表示，是枝晶间测得的最大（正偏析）或最小（负偏析）溶质浓度与在枝晶干心部测得的最小或最大溶质浓度的比值，无论是元素正偏析还是负偏析，其值越接近1，表明元素的微观偏析程度越轻，元素分布越均匀。利用电子探针在铸坯心部随机测取5对相应的枝晶间和枝晶干区域的元素溶质浓度，计算并取平均值。

 图7为不同电流强度的电磁搅拌条件下，In-coloy825合金各元素的微观偏析比。由图7可见，未施加电磁搅拌的铸坯中许多元素都存在着较为严重的微观偏析，其中Ti元素的微观偏析最为严重，这可能会促进一些有害的析出物的析出和长大，如TiNc。施加电磁搅拌以后，铸坯中各元素的微观偏析明显改善，而且随着电流强度的提高，微观偏析程度进一步降低。这主要是由于施加电磁搅拌后，电磁力对熔体产生的强制对流不仅改变了熔体的温度场，而且也改变了合金凝固过程中的传质。电磁力引发的强制对流加快了固／液界面前沿富集元素的运动速度，显著降低了固／液界面前、沿熔体中溶质元素的富集程度，并促进液穴内熔体成分的均匀化，从而抑制了合金微观偏析的程度。此外，随着电流强度的增加，电磁力逐渐增大，增强了对熔体的搅拌作用，进一步抑制了微观偏析的程度。

3  结  论

 (1)在Incoloy825高温合金的凝固过程中，施加电磁搅拌可以有效地细化合金的晶粒组织并增加等轴晶含量。当电磁搅拌电流强度从150 A增加到300 A时，中心等轴晶的平均晶粒尺寸进一步细化，从300 ) μm减小至210μm，同时中心等轴晶含量由66. 7%增加到77. 5%。

 (2)未施加电磁搅拌的铸坯内部C元素宏观偏析严重，在施加电磁搅拌后，铸坯内的冷却速率增加，导致二次枝晶臂间距减小，抑制了C元素的宏观偏析程度。此外，电流强度的增加进一步抑制了铸坯内部C元素的宏观偏析。

 (3)未施加电磁搅拌时．铸坯内部各元素均有不同程度的微观偏析，最为严重的是Ti元素。施加电磁搅拌后，铸坯内部各元素微观偏析比减小，且随着电流强度的增加，微观偏析程度明显减轻，铸坯质量得到明显改善。