基于JMatPro軟件的X12Cr MoWVNbN10-1-1鋼析出相熱力學模擬和分析

楊佳奇

（沈陽開放大學 教務處，沈陽 110003）

火力發電是全球電能的主要來源，占總發電量的70%左右，在未來的幾十年內仍是主流發電形式.X12CrMoWVNbN10-1-1鋼［1-2］（以下簡稱X12鋼）是目前火力發電機組的主流材料，廣泛用于汽輪機轉子、主蒸汽閥體及渦輪盤等大型鑄鍛件的生產.火電廠的熱效率隨蒸汽溫度和壓力的提高而顯著提高，供電煤耗則大幅下降.因此，在節能減排的大背景下，部件材料抗蠕變性能的好壞成為了火電廠蒸汽參數高低的主要影響因素［3］.X12鋼屬于典型的高合金鐵素體耐熱鋼，具有較好的高溫抗蠕變性能，其回火馬氏體組織提供了較高的抗蠕變強度，而大量的析出相有效地延緩了高溫蠕變過程中回火馬氏體的演化，達到延長使用壽命的目的［4-5］.

JMatPro軟件［6］常被用于金屬材料的相變和性能分析的模擬計算，通過熱力學模型數據對熱物性能進行推演，其模擬結果與實驗結果有較高的一致性.本文采用JMatPro軟件對X12鋼相的析出過程進行熱力學模擬計算，并通過實驗驗證模擬結果，為制定相應的熱處理工藝和調控析出相提供理論依據.

1 實驗材料與方法

本文以X12成品鋼板為研究對象，板材厚度為10 mm，其化學成分如表1所示.采用JMatPro軟件對X12鋼進行模擬計算，模擬出平衡狀態下的凝固相圖，對耐熱鋼中相析出過程進行熱力學計算，得到過冷奧氏體等溫轉變TTT曲線和連續冷卻轉變CCT曲線.

鋼板以100℃/h的升溫速度加熱至1 050℃后保溫2 h，風冷至室溫；以90℃/h的升溫速度加熱至550℃后保溫2 h，隨爐冷卻.配置4%硝酸的酒精混合腐蝕溶液對金相樣品表面進行化學腐蝕，使用帶有 X射線能譜分析（EDS）附件的S4800場發射掃描電鏡（SEM）觀察樣品的微觀組織和析出相并進行成分分析.采用FEI G20透射電鏡對析出相進行形貌觀察和定性分析.

表1 X12鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of X12 steel（mass fraction） %

2 試驗結果與討論

2.1 熱力學平衡相圖

采用JMatPro軟件對X12鋼的相析出過程進行熱力學模擬計算，模擬結果如圖1所示.根據模擬結果可知，X12鋼液在凝固過程中，當溫度降為1 500℃時，液相中開始出現體心立方結構的δ鐵素體晶核并長大，隨著溫度降低，液相幾乎全部轉變為δ鐵素體.當溫度降為1 422℃時，液相質量分數不足5%，體心立方結構的δ鐵素體發生相變，此時Fe以面心立方晶格形式存在的γ奧氏體所需要的吉布斯自由能較低，兩者自由能之差是δ鐵素體向γ奧氏體轉變的驅動力，轉變過程中，液相完全消失.當溫度降為1 192℃時，液相中先結晶的δ鐵素體全部轉變為γ奧氏體.Yamada等［7］經研究證實，通過在耐熱鋼中增加Co元素，可抑制室溫下殘留δ鐵素體的質量分數.δ鐵素體的存在對于合金質量分數較高的X12鋼的抗蠕變性能是有害的，應盡可能室溫下避免，因此X12鋼的熱處理溫度不宜超過1 192℃.

隨著溫度繼續降低至890℃，γ奧氏體開始向低溫δ鐵素體轉變.受到碳固溶度急劇降低的影響，X12鋼中含有的Cr，Mo等元素以碳化物形式析出，其中M23C6相在904℃析出，LAVES相在700℃析出，Z相在689℃析出.

圖1 X12鋼平衡相轉變量與溫度關系Fig.1 Relationship between X12 steel equilibrium phase transition variable and temperature

X12鋼中三種析出相元素質量分數與溫度關系如圖2所示.M23C6相中主要以Cr為主.隨著溫度的降低，Cr及Mo元素占比提高，而Fe元素占比顯著下降至10%.LAVES相是一種AB2結構的金屬間化合物，在X12鋼中主要由Fe和W元素組成.隨著溫度的降低，LAVES相的元素含量（質量分數）較穩定.LAVES相是耐熱鋼中重要的析出強化相，其尺寸比M23C6相還要細小，且其穩定性更高［8］.Z相含 Nb相，多呈棒狀，在 X12鋼中常以CrNbN形式的雙層體心四方結構存在［9］.從圖2（c）中可知，Z相結晶時Nb元素質量分數較高，由于X12鋼中含有0.2%的V元素，隨著溫度的降低，Z相中V元素質量分數代替了部分Nb元素質量分數，最終形成CrVNbN相.

圖2 X12鋼中析出相元素質量分數與溫度關系Fig.2 The relationship between the content of precipitated elements in X12 steel and temperature

2.2 合金的TTT曲線和CCT曲線

圖3為利用JMatPro軟件計算并繪制的X12鋼TTT曲線圖.從圖中可以看出，X12鋼中析出相的TTT曲線整體呈現典型的C形.X12鋼中M7C3相、M6C相和 M23C6相的“鼻尖區”溫度依次升高，分別為760，790和820℃，對應的孕育時間分別為31，30和6 min，開始轉變溫度分別為800，840和870℃.M6C相呈薄片狀存在于晶界處，會弱化晶界強度，屬于有害相［10］.M7C3相是非穩定相，在X12鋼使用過程中會轉變為穩定的M23C6相［11］.利用JMatPro軟件模擬的X12鋼TTT曲線圖可以輔助設計熱處理工藝，避免有害相的形成.

圖3 X12鋼的TTT曲線Fig.3 TTT curve of X12 steel

圖4為X12鋼的CCT曲線圖，反映了X12鋼以連續冷卻方式冷卻時各析出相轉變與冷卻速度的關系.M6C相無析出的臨界冷卻速度為10℃/min.因此，X12鋼在奧氏體化冷卻過程中，在550～700℃時需要大于10℃/min的冷卻速度以抑制有害相M6C的析出，同時這一冷卻速度也決定了不會出現M7C3相，從而只保留了穩定的M23C6相.

圖4 X12鋼的CCT曲線Fig.4 CCT curve of X12 steel

2.3 合金的析出相

取X12鋼材質的鋼板進行1 050℃的奧氏體化和550℃的回火熱處理.為避免有害相M6C的形成，奧氏體化冷卻方式選擇風冷，其溫度冷卻至550～700℃溫度區間時的冷卻速度遠大于10℃/min，熱處理后的掃描電鏡圖像如圖5所示.X12鋼基體為回火馬氏體組織，在晶粒內部的馬氏體板條束間存在大量細小顆粒狀和短棒狀規則排列的析出相，如圖5中箭頭所指.通過對小顆粒進行EDS分析發現，A點和B點顆粒主要含有Fe，Cr，Mo，C等元素，其中A點Cr元素質量分數為21.91%，Mo元素質量分數為3.48%，受基體質量分數影響，Fe元素質量分數為67.48%；B點Cr元素質量分數為28.59%，Mo元素質量分數為5.31%，Fe元素質量分數為56.78%.據此可斷定其為一種富含Cr和Mo元素的碳化物顆粒.X12鋼含有大量Cr，W，Mo，V，Nb等元素，經過熱處理后能夠形成多種碳化物或碳氮化物，在基體內部阻礙位錯運動，延緩X12鋼蠕變過程中高強度、高密度位錯馬氏體向低強度、低密度位錯鐵素體的演化進程.圖5中析出相尺寸和形貌有一定差異，尺寸較小的不足100 nm，尺寸較大的超過200 nm，其形狀主要呈近球形顆粒狀，如圖5（a）中所示；個別尺寸較大的呈短棒狀，如圖5（b）中所示；未見大尺寸薄片狀M6C存在.根據析出相存在位置比較，均為晶粒內部沿板條馬氏體邊界分布.

圖5 X12鋼熱處理后的掃描電鏡圖像Fig.5 SEM image of X12 steel after heat treatment

圖6 X12鋼熱處理后的透射電鏡圖像Fig.6 TEM image of X12 steel after heat treatment

對經過熱處理后的X12鋼試樣進行透射電鏡分析，透射圖像如圖6所示.如圖可知，基體中彌散分布大量析出相，通過透射電鏡衍射花樣定性分析，X12鋼熱處理后的主要析出相均為碳化物，種類有 M23C6相、M7C3相和 M3C相，其中M23C6相尺寸最大，達到200 nm，形狀主要為球形顆粒和短棒狀.M7C3相和M3C相尺寸較小，直徑約100 nm.結合圖1的平衡相轉變量與溫度關系和圖4的CCT曲線圖分析認為，X12鋼在進行奧氏體冷卻過程中，由于冷卻速度較快，沒有形成碳化物析出，碳仍以間隙固溶狀態存在，因此冷卻到室溫獲得高強度、高位錯密度的馬氏體組織.X12鋼在550℃回火過程中富含的Cr，Mo元素與C元素相結合且以碳化物形式析出，同時馬氏體位錯密度降低、強度降低，形成了具有一定塑性的回火馬氏體組織.Inoue等［12］的研究表明，耐熱鋼中M23C6相是由M7C3相和M3C相在回火過程中演化過來的.因此可斷定，X12鋼在550℃回火過程中先析出尺寸較小的M7C3相和M3C相，再由M7C3相和M3C相在長大過程中轉變為M23C6相.通過對圖6（a）觀察發現，M23C6相主要存在于馬氏體板條界處，這是由于此處位錯密度較大，易于Cr，Mo和 C元素在此富集，為 M7C3相和M3C相向M23C6相轉變提供有利條件；同時，此處細小的碳化物在高溫服役過程中可以起到釘扎位錯的作用，延緩微觀組織演化，提高X12鋼工件的使用壽命.

3 結 論

采用JMatPro軟件對目前常用的X12鋼計算并繪制平衡狀態下的凝固相圖、過冷奧氏體等溫轉變TTT曲線和連續冷卻轉變CCT曲線，分析了X12鋼中各析出相的特點，并結合實驗驗證，得到以下結論：

（1）為避免X12鋼室溫下殘留δ鐵素體，其奧氏體化加熱溫度應低于1 192℃；為避免M6C相形成，奧氏體化冷卻速度在550～700℃時應大于10℃/min.

（2）平衡相圖中X12鋼共有三種析出相，分別為M23C6相、LAVES相和Z相，析出溫度分別為904，700和689℃.

（3）X12鋼中的 M7C3相和 M3C相是在550℃回火過程中析出的，直徑約100 nm；隨后轉變為直徑200 nm的M23C6相，主要分布在馬氏體板條界處.