铁铬铝合金晶粒长大及合金中稀土元素

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1988.03.016 北京钢铁学院学报 第10卷第3期 Journal of Beijing University Vol,10 No.3 1988年7月 of Iron and Steel Technology July 1988 铁铬铝合金晶粒长大及合金中稀土元素 杜国维 杜永良 章小雁 (北京钢铁学院) (北京锅丝厂) 播 要 研究了不同稀土含量铁铬铝合金，在高温下品粒长大及界而结构。结果表明： 在1200C以上高温，稀土组元（以La为主）对抑制合金的晶界长大有一定效果， La?O,可作为TN相析出的形核中心，细小TN质点可在品界上出现，阳码品界 迁移，在变温过程中，La向界而扩散，在品界以La2O形式出现，同时稀土加速 氧穿过氧化膜向基体中渗遗，导致A120,及La2Oa在基体中形成。 关键词：晶界迁移，电热含金，空位扩散，空位陷井，铁铬铝合金 The Grain Growth of Fe-Cr-Al Alloy and the Rare Earth in Alloy Du Guowei,Du Yongliang,Chan Xiaoyan Abstract The experiments have been performed to investigate the grain growth,the characterization of grain boundary migration and the interfacial phenomena at high lemperature for Fe-25Cr-5Al-RE alloy.The results show that the rare earth (landium is main)has a certain effect on the grain growth of alloy; La2O:may be the nuclear center of titanium nitride phases that precipitate in the matrix of the alloy;for Fe-Cr-Al-RE (RE<0.1%)finc titanium nitride may precipitate on the grain boundaries and inhibite the migration of grain boundaries;by repeated heating and cooling,the rare earth increases the permeation of O2-ions through the oxide scale,lanthanum atoms diffuse 1986一04一15收稿 368

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 铁铬铝合金晶粒长大及合金 中稀土元素 杜国维 杜永 良 章小雁 北 京钢铁学院 北 京钢丝 厂 摘 要 研 究 了不同稀 土含量 铁铬 铝合 金 ， 在高温 下 晶粒 长大及界而 结构 。 结果 表明 在 。 。 以 上 高温 ， 稀土组 元 以 为 主 对 抑 制 合金的 晶界长 大 有一 定效 果 ， 勺 可 作为 相析 出的形核 中心 ， 细小 质 点 可 在晶 界上 出现 ， 照 碍 晶 界 迁 移 ， 在 变温过程中 ， 向界而 扩 散 ， 在 晶界以 形 式 出现 ， 同 时 稀 上 加 速 氧 穿过氧化膜 向基体 中渗透 ， 导 致 人 及 在基体中形 成 。 关趁词 晶界 迁移 ， 电热 含 金 ， 空 位扩 散， 空 位陷 井 ， 铁 铭铝 合 金 一 一 ， 夕 ‘ 夕， 夕 ， 一 一 一 ， 一 一 一 一 ， ， 川 一 ， 、 一 一 收 稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．03．016

towards the inte:faces and precipitate as lanthana.There is no doubt that lhe prccipilates lanthana and alumina in matrix as a trapping of vacancics greally increasc the oxidation resistance and the life of the electric heating allor. Key words:grain boundary migration,electrothermal alloys,diffusion of vacancies;FeCrAl alloy,trapping of vacancies 引 言 在高福下，体心立方结构铁铬铝合金的品粒极易长大1,1。为抑制合金的品粒长大，通 常在合金小加入微最的钛、铌等元素【3，】，同时微量稀土元素也有着良好效果1]。为深入了 解合金在高温下的品粒长大，以及稀土组元在合金中的分布，研究了不同稀土含量（以镧为 主)，OCr25AI5合金，在高温下晶粒长大、稀土作用以及界面附近结构。 1实验过程 在真空感应炉中熔炼了不同稀土（富镧)含量的铁铬铝合金，钢锭经轧制、冷拔及退火 等工艺，获得直径为6mm的线材，其成份如表1所示。在可控氧气氛中，对合金进行加热 实现晶粒长大，试验中采用直线切钢法【1测定合金横截面上品粒平均直径(d),作为判别 合金晶粒大小的依据。通过Camscan EDY4型扫描电镜以及Philips EM100透射电镜对 合金的微观结构进行分析。 表1合金的成份，wt% Table 1 Chemical composition of alloy,wt% 合金 C Si Mn Cr Al Ti RE Fe ORE1 0,018 0,14 0,72 24.73 6,06 0.32 0 余量 HREI 0,016 0,17 0,51 24.70 6,15 0.32 0.12 余量 HRE2 0.015 0.15 0.51 24.70 6.01 0.32 0,21 余量 2试验结果 2,1铁蝽铝合金在高溫下的晶粒长大 2,1.1恒温下晶粒长大。将试样在1200°C恒温加热一段时间后，淬至水中冷却，测定合金 的品粒平均直径，考虑到各个合金的初始晶粒大小不同，为进行比较将按长大后的晶粒平均 直径d和原始的晶粒平均直径do之比d/do,计算合金的晶粒增长率与保温时间的关系（图 1)。结果指出：在1200°C保温一段时间后，合金的品粒长大到一定数值后，将处于稳定 状态。平衡时的晶粒增长率其数值随合金中残留的稀土量增大而减少。 2.1.2热循环变混引起的品粒长大。将合金在纯氧气氛高温保温30min,然后空冷至室温并 停留30min,如此反复进行热循环处理，图2给出1200°C热循环62次以及1280°C热循环 369

· 冬，、 、 。 ， · 。 、 ， 通 。 一 一 少 · 一 卜 、 一 。 少 、 、 ‘ ， 。 ， 、 、 ， 引 言 在高温 卜 ， 体心立 方结 构铁 铬 铝 合金 的品粒极 易长大 【 ‘ ， 么 ’ 。 为抑制合金 的晶粒 长大 ， 通 常 在 合金 ，卜加 入 微量 的钦 、 捉等元 素 〔 ， ‘ 」， 同时 微 量 稀土 元 素也 有 着 良好效 果 川 。 为 深 人 一 解 合金 在 荡温 「的晶粒长大 ， 以及稀 上组元在合金 中的分 布 ， 研究 了不 同稀土含量 以悯 为 主 ， 合金 ， 在高温下 晶粒长大 、 稀土作用以 及界面附近结构 。 实验过程 在 真 空感应 炉 中熔炼 了不 同稀土 富翎 含量的铁铬铝 合金 ， 钢锭经轧制 、 冷 拔及 退火 等工艺 ， 获得直 径 为 的线 材 ， 其 成份 如 表 所 示 。 在可 控氧气氛 中 ， 对 合金进行加 热 实现 晶粒长大 ， 试 验 中 采用直线 切割 法 测定 合金 横截 面上 晶粒 平 均直 径 ， 作为 判 别 合金 晶粒大小 的依 据 。 通过 “ 。 型 扫描 电镜 以及 透射 电 镜 对 合金 的微观结构 进 行分析 。 表 合金的成份 ， 写 ， 乡‘ 合 金 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 余 量 余 量 余盆 试验结果 铁 佑铝合金 在 高沮下 的 晶粒长大 恒温下 晶粒长大 。 将试样在 恒温加 热一 段时 间后 ， 淬至水 中冷 却 ， 侧定合金 的品粒平 均直径 ， 考虑到各个合金 的初始 晶粒大小不 同 ， 为进行比较将按长大后的晶粒平均 直径 和原始的晶粒平 均直径 。 之比 。 ， 计算合金 的晶粒增长率与保 温时 间的关系 图 。 结果指 出 在 “ 保 温一 段时 间后 ， 合金 的晶粒长大到一定数值后 ， 将处 于 稳 定 状态 。 平 衡时 的晶粒增 长率其数值 随合金 中残 留的稀土量增大而 减少 。 热 循环变 温 引起 的品 粒长大 。 将 合金 在纯氧 气氛 高温保 温 ， 然后空 冷至 室温并 停 留 ， 如此 反 复进 行热 循环处 理 ， 图 给 出 “ 热 循环 次以及 。 “ 热 循环

8次后，合金的晶粒增长率与稀土含量的关系。实验表明，热应力破坏晶界的平衡，微发晶 粒进一步长大。但是ORE1合金与HRE2合金相比，例如在1280°C条件下，(d/d。)数 值之间相差2.6倍，它表明任合金中加入微量的稀土元素，对抑制合金晶粒长大有着良好效 果，并在实际使用过程中，将会愈来愈突出地显示出来。 13 12 1280. (ireulation of heat lanes) 6: 112001°- C'ireulation of he.11 462 Lmius) 10020030040u 5U0600 0,1 0.2 Time,min RL 图1在纯氧中，1200C合金的品粒增长* 图2通过反复加热及空冷品粒妆长岁 (d/4o)与加热时间的关系 (d1do)与合金中输土含量关系 Fig.1 In pure oxygen,the relation between Fig.2 By repeaied heating and air cooling, grain growth rate (/do)and heating the grain growth rate vs the content time for Fe-25Cr-5Al alloy at 1200C of rare rarth of Fe-25Cr-5Al alloy 2.2晶界迁移特征 在合金中晶界附近常见的第二相是TiN,在1200°C以上高温，TiN开始容解并造成其 几何边界有残缺现象。在合金中，被细小颗粒TN钉扎下的晶界不易迁动，人颗粒TN钉 扎下的晶界易弯曲，到一定程度晶界可摆脱TiN而迁移，在OREI合金巾，TN颗粒一般尺 度较大。试验观察到在HRE2合金中许多TiN相中都有一结品核心。 通过波谱线扫描分析时，这个核心为稀土锅的氧化物(La2O3)。对TN进行能谱能量分 析也表明，具有核心的T1N总含有微量的镧。通过透射电镜，在HRE2合金中的晶界上也 观察到极为细小的TN,如图3所示，表明稀士翻在合金中有细化分散TiN相的良好作用。 在经历1200°C62次热循环处理之后，对HRE2合金在晶界附近发现了La2O3相的沉淀， 在图4中给出它的透射电镜的结果。 0000 0.15,4 400 图3HRE2吞金品界上的TiN,1200C保温10h,(a)暗场像，(b)TiN相心了射谐标定 Fig.8 TiN phase at grain boundary of the HRE2 alloy at 1200 for 10 h 370

。 次后 ， 合金的晶粒增长率与稀土含量的关系 。 实验 表明 ， 热应力破 坏 晶界的平 衡 ， 激 发晶 粒进一步长大 。 但 是 合 金 与 合金 相 比 ， 例如 在 。 。 条 件 下 ， 雨式 数 值之 间相 差 倍 ， 它 表 明在合 金 中加 人微量 的稀土 元 素 ， 对 抑 制合 金晶 拉 比大有 着 良好效 果 ， 并在实际使 用过 程 中 ， 将 会愈 来愈突 出地显 示 出来 。 喧 怡 「是 一 ‘， 口 门 洲夕 ， 一 闷 一口…」 盯 ’ 一 ， 门 口进多 一 卢一 叫 沪 十 二 宁 一 一 ‘ 答 ， “ 一上 一 糯默硫厅宗蔽 华 ， 书 － 」一 一 － · 一 － 图 在纯氧中 ， 。 。 。 合金 的 晶粒增 长率 。 与加 热叶 间的 关 系 ， ‘ 。 一 一 ℃ 图 通 过 反 复加 热及 空 冷 拈粒 增 长率 。 ‘万合金 中稀 土 含量 关 系 ， 一 一 。 了 晶界 迁移特征 在 合金 中晶界附近常见 的第二相是 ， 在 。 。 。 以 上 高温 ， 开始 容解 并 造 成 其 几何边界有残 缺现象 。 在合金 中 ， 被 细小颗 粒 钉扎下 的晶界不 易迁 动 ， 人颗 粒 钉 扎 下 的 晶界 易弯曲 ， 到一 定程度晶界可摆 脱 而 迁 移 ， 在 。 合 金中 ， 颗粒一 般尺 度较大 。 试验 观 察到在 合 金 中许 多 相 中都有一 结 晶核心 。 通 过波谱线 扫描分析时 ， 这 个核心为稀土锢 的氧化 物 毛 。 。 对 水 进 行能谱能量分 析也 表明 ， 具有核心的 总含有 微量的斓 。 通过 透射 电镜 ， 在 合金 中的晶 界 上 也 观察到极为细小 的 ， 如 图 所示 ， 表 明稀土铜 在合金 中有细 化分散 相 的 良好 作川 。 在经历 “ 次热 循环处 理之后 ， 对 合 金在 晶界附近 发现 了 。 相 的 沉 淀 ， 在图 中给 出它 的透射电镜 的结果 。 图 答金 晶界上 的 ， 保温 ， 日音场 像 ， 相 江子 衍 勿 · 谱 际定 ℃

624 图1HRE2合金，经1200°C热循环62次品界La20,的析出(TEM),(a)明场像， (b)La20,相衍射谱标定 Fig.4 The precipitation of La2O,at the grain boundary of the HRE2 alloy at 1200C for 62 cycles 了氯化膜与合金基体间界面结构的变化 热循环处理不仪用于考核合金晶界迁动快慢，并用于考查氧化膜与基体界面间有无结构 改变。在经历1200°C热循环62次之后，对ORE1合金，在卷曲式起敏的氧化膜的脊背底 下，氧化膜已与合金分离，而且基体中内氧化并不十分严重，如图5所示。对HRE2合金， 在经历同样热循环处理之后，氧化膜比较平整（局部向基体中突起）被覆在合金表面上（图B 所示)，并在界面附近基体中形成大量的内氧化质点。在扫描电镜下观察同一试样，如图T 所示，内氧化质点可分成两类，一类呈现黑色，波谱分析表明它主要是铝的氧化物(A12O,), 另一类内氧化质点为白色，它比基体发射二次电子较强，波谱分析表明它是镧的氧化物 (La2O3)。由图7可以看出A12O3和La2O,可以共生，在图8中给出HRE2合金在表面 基体中铝元素的X射线(AIx。)强度面分布。可以看出，由于热循环处理，导致稀土铁铬铝合 金中铝组元向界面扩散，稀土元素加速氧离子通过氧化膜向基体中渗透，并在界面附近基体 中铝富集沉淀为氧化铝质点。 Matrix 10.4 图5ORE1合金，经历1200C热循环62次 图6HRE2合金，经1200·C热循环62次 后，氧化毯与基体创形貌(SEM) 后，氧化膜与基体问的形卷 Fig.5 The fcature of scalc and the Fig.6 The feature of scale and the matrix of OREl alloy at matrix of HRE2 alloy at 1200C 1200℃for62cyc1cs for 62 cycles 371

图 合金 ， 经 热 循环 次 精界 。 的析出 ， 明 场 像 ， 相衍射谱标定 ℃ 氧化膜与合金基体 间界面结构 的变化 热 循环处 理不仅 用于考核合金晶界迁动快慢 ， 并 用于考查氧化膜 与基 体界面 间有 无结构 改变 。 在 经 历 “ 热 循环 次 之后 ， 对 合金 ， 在 卷 曲式起皱的氧化膜的脊 背 底 下 ， 氧化膜 已与 合金分离 ， 而且 基体中内氧化并不 十分严 重 ， 如 图 所 示 。 对 合金 ， 在 经历 同样热 循环处 理之后 ， 氧化膜比较平整 局部向基体 中突起 被 覆在合金表面上 图 所 示 ， 并在 界面附近 基 体中形成 大量的内氧化 质点 。 在扫描 电镜 下 观 察同一 试样 ， 如 图 所示 ， 内氧化 质点可 分成两类 ， 一类呈现 黑 色 ， 波谱分析 表 明它 主要是 铝的氧化物 ， 另一类 内氧化 质点为 白色 ， 它 比基体发射二次电子较强 ， 波谱分析 表 明 它 是 铜 的 氧 化 物 。 由图 可 以看 出 和 可 以共生 ， 在 图 中给 出 合金在 表 面 基体中铝元素的 射线 。 强度面分布 。 可 以看 出 ， 由于热 循环处 理 ， 导致 稀土铁铬铝合 金中铝 组元向界面扩散 ， 稀土元 素加速氧离子通过氧化膜向基体中渗透 ， 并在界面附近 基体 中铝富集沉淀为氧化铝质点 。 图 合金 ， 经 历 “ 热循环 次 后 ， 缄化膜 与丛体间形貌 图 。 ℃ 合金 ， 经 热循环 次 后 ， 氧化膜与基体间的形态 ℃

282 图7HRE2合金，经1200C,热循环62次氧化膜 图8试样同图7，氧化莫与基体界面附近，幅的X 附近基体中的内氧化质点(SEM) 射线强度的面分布 Fig,7 The internal oxide near the scalc Fig.8 X-ray intensity distribution of Al of the HRE2 alloy at 1200 'C for element betwcen the scale and the 62 cycles (SEM) matrix for the alloy shown in Fig.7 3讨 论 (1)从1200°C恒温晶粒长大过程可以看出，对铁铬铝合金最初晶粒长大很快，但经历 一定时间后，晶粒长大过程停止。表明晶界迁移受阻，第二相颗粒对晶界起着钉扎效应] 这种第二相作用主要来自TiN相。 按Zener[】及Gladmen理论【a】,若第二相粒子半径小于某一临界半径rc时，则品粒 不长大，只有实际粒子半径大于rc时，晶粒将长大。对第二相粒子临界半径"c可表示为： r=4(经-2） 式中R。为合金的晶粒平均半径，Z为晶粒的不均匀因子。因此，第二相粒子大小及分 布对抑制合金的晶粒长大是一重要的问题。实验发现La2O3可作为TiN沉淀的核心，因而 如何利用合金中稀土氧化物质点，作为结晶核心控制T1N的脱溶，以获得细小弥散分布的 TiN,有待进一步研究。对HRE2合金，TiN以超显微质点分布在品界上，这可能与稀土组 元在晶界上分布有关。 在热循环处理过程中，热应力将破坏氧化膜，部份氧原子可沿品界向合金内部广散，并 吸引稀土组元向晶界扩散。对稀土组元其金属氧化物体积与原金属体积之比都大于1】 (对镧V。:/V.=1.10),一般条件下，不利于稀土氧化物形成。然而，热循环处理导致高 温基体中形成过饱和空位，通过降温缓冷空位向晶界扩散、沉积而消失【]。如果基体中的 镧原子与空位一起运动，这一过程将有利于稀土氧化物在品界上形成，并吸收大量的空位， 如图4所示。La2O3质点本身将抑制合金的晶粒长大。 (2)Golinght1y【]指出钆作为添加剂将增强膜与合金的粘附性。这一基本事实被以后 的一些工作11,12]进一步阐明，并观察到镧、铈或混合稀士与钆的作用有相同之处13]。上 述工作及用于解释稀土组元提高氧化膜粘附性理论，主要建立在恒温氧化试验基础上得到的。 与电热合金寿命试验[1】相似，对合金进行热循环处理激发了合金氧化过程。如前所述， 从高温缓冷过程中，部份过饱和空位向界面上扩散，因而氧化膜与基体之间相界面可作为吸 收空位的陷井。对ORE1合金，大量空位移向相界面，空位沉淀形成空洞（例如热蚀坑【]） 372

合金 ， 经 ， 热循环 次氧化 膜 附近 墓体中的 内氧化质点 “ 六 叫几弓曰宜 图 。 图 试样同图 ， 氧化 嗅与基体 界面附近 ， 侣的 射 线强度的 面 分布 一 讨 论 从 “ 恒温 晶 粒长 大过程可 以看 出 ， 对铁 铬 铝 合金 最初 晶粒长大很快 ， 但 经历 一定时间后 ， 晶粒长大过程停止 。 表明晶界迁移受阻 ， 第 二相颗粒 对晶界起着钉扎 效应 这 种第二相作用主要来 自 相 。 按 〕 及 理 论 〔 “ ， 若第二 相粒 子半径小于某 一 临界半径 。 时 ， 则晶粒 、 不长大， 只有实际粒 子半径大 于 。 时 ， 晶粒将 长大 。 对第二相粒 子 临界半径 。 可表示为 。 共井 令 一 韧 式中 。 为合金的晶粒平 均半径 ， 为晶粒的不 均匀 因子 。 因此 ， 第 二相粒子大小 及 分 布对抑制合金的晶粒长大是一重要的问题 。 实验发现 可 作为 沉淀 的核心 ， 因 而 如何利用 合金 中稀土氧化物质 点 ， 作为结晶核心 控制 的脱溶 ， 以获得细 小弥 散 分 布 的 ， 有待进一步研究 。 对 合金 ， 以超显微质点分布在 品界上 ， 这可 能 与稀土组 元在晶界上分布有关 。 在热 循环处 理过程 中 ， 热应 力将破 坏氧化膜 ， 部份氧 原子可沿 品界向合金内部扩散 ， 并 吸 引稀土组 元 向晶界扩散 。 对稀土组元其金属氧化物体积与原金属体 积 之 比 都 大 于 〔 ’ 对翎 凡 二 凡 ， 一 般条件下 ， 不 利于稀土氧化物形成 。 然而 ， 热 循环处理导致 高 温基体中形成过饱和空位 ， 通过降温缓冷空位 向晶界扩散 、 沉积而 消失 〔 。 ’ 。 如果基体 中 的 钥原子与空位一起运动 ， 这 一过 程将有 利于 稀土氧化物在晶界上形成 ， 并吸收大 量的空位 ， 如图 所示 。 质点本身将抑 制合金的晶粒长大 。 〔 ” 指 出礼作为添加剂将增强 膜与合金的粘附性 。 这一墓本事实被以后 的一些 工作 【 ‘ ” ‘ 】 进一步 阐明 ， 并观察到钢 、 钵或混合 稀土与礼的作用有相 同之处 〔 ‘ 。 上 述工 作及用于解释稀土组元 提高氧化膜粘附性理论 ， 主 要建立在 恒温氧化试验基础上得到 的 。 与电热合金寿命试验 〔 ‘ ’ 相似 ， 对 合金进行热 循环 处理激发 了合金氧化过程 。 如前所 述 ， 从高温 缓冷过程 中 ， 部份过饱和空位 向界面上扩散 ， 因而 氧化膜与基体之间相 界面可 作为吸 收空位的陷 井 。 对 合 金 ， 大量空位移向相 界面 ， 空位沉 淀形成空洞 例如热 蚀坑 〔 ’