在电渣重熔过程中，经过Ce处理的9% Cr耐热钢的包容性退化及其导致的粗化现象

《Journal of Materials Research and Technology》：Inclusion Degeneration and Resultant Coarsening in a Ce-Treated 9% Cr Heat-Resistant Steel During Electroslag Remelting

Ce处理9%Cr马氏体耐热钢的真空感应熔炼（VIM）和电渣重熔（ESR）过程中夹杂物演变机制研究。发现VIM时添加Ce可将Al?O?类夹杂物转化为细小Ce?O?/Ce?O?S夹杂物，平均尺寸由2.29μm降至2.01μm；但ESR中Ce与渣Al?O?反应导致Ce含量下降，形成粗化CeAlO?夹杂物，平均尺寸增至3.13μm。通过热力学计算和FactSage模拟确定最佳Ce含量范围为0.005-0.02wt%，并提出降低渣中Al?O?含量、优化CaO添加量等抑制粗化的策略。

　　在现代工业和材料科学中，高耐热钢因其在高温环境下的优异性能，成为核能系统等关键应用领域的重要材料。特别是在第四代核能系统中，对材料的疲劳性能、热稳定性、抗氧化能力和结构完整性提出了更高的要求。因此，研究如何优化高耐热钢的成分，以提高其性能并延长使用寿命，成为当前研究的重点之一。本研究聚焦于一种含有稀土元素Ce的9%Cr马氏体耐热钢，探讨其在真空感应熔炼（VIM）和电渣重熔（ESR）过程中夹杂物的演变规律，揭示了Ce在提升材料性能中的关键作用。

在VIM过程中，Ce的添加有效改变了钢中的Al?O?和Al?O?·SiO?夹杂物，将其转化为更细小的Ce?O?和Ce?O?S夹杂物，从而显著降低了夹杂物的平均尺寸，从2.29 μm降至2.01 μm，并去除了超过8 μm的大尺寸夹杂物。这一结果表明，Ce在VIM过程中能够显著改善夹杂物的形态和分布，提高材料的综合性能。然而，在后续的ESR过程中，Ce与渣中的Al?O?发生反应，导致Ce含量显著下降，并使夹杂物发生退化，形成CeAlO?。这种变化进一步促使夹杂物粗化，使得其平均尺寸上升至3.13 μm，对材料的性能造成不利影响。

研究通过热力学计算和FactSage模拟揭示了夹杂物演变的机制。通过离子-分子共存理论（IMCT）计算得出，减少渣中Al?O?的含量并增加Ce?O?的含量可以部分抑制Ce与Al?O?之间的反应，从而在ESR过程中有效降低Ce的氧化程度。这一发现为优化渣体系和控制夹杂物的形成提供了理论依据。同时，FactSage模拟进一步表明，维持ESR钢锭中Ce的含量在0.005至0.020 wt%之间，是避免形成有害夹杂物如CeAlO?和Al?O?的关键。这一范围内的Ce含量有助于减少夹杂物的尺寸，提高材料的疲劳性能。

此外，研究还发现，夹杂物的演变与熔炼过程中的温度变化密切相关。在VIM过程中，温度升高促进了Ce与Al?O?的反应，从而形成Ce?O?和Ce?O?S夹杂物。而在ESR过程中，随着温度的进一步升高，Ce?O?S夹杂物发生分解，生成Ce?O?夹杂物，并与Al?O?夹杂物结合形成CeAlO?。这一现象说明，温度的升高不仅影响了夹杂物的种类，还影响了其尺寸和形态，进而对材料的性能产生重要影响。

在实际应用中，夹杂物的存在会对材料的力学性能产生负面影响。它们作为应力集中点，会加速裂纹的萌生和扩展，降低材料的疲劳寿命。因此，如何在ESR过程中有效控制夹杂物的形成和演变，成为提高高耐热钢性能的关键问题。研究还指出，Ce在钢中的含量对夹杂物的形成具有决定性作用。当Ce含量过低时，容易形成CeAlO?和Al?O?夹杂物，这些夹杂物不仅尺寸较大，而且对材料的性能有显著的破坏作用。

研究进一步分析了夹杂物的形成机制和生长方式。通过FactSage计算得出，当钢中的Ce含量为0.005 wt%时，Ce?O?夹杂物首先在液态钢的凝固过程中形成，随着冷却的继续，部分Al?O?夹杂物仍然存在。然而，如果Al?O?夹杂物在Ce?O?夹杂物上生长，就会形成大尺寸和形状不规则的夹杂物，进而降低材料的性能。当Ce含量增加至0.010 wt%时，钢中的主要夹杂物为Ce?O?S和Ce?O?，而在凝固过程中并未形成Al?O?夹杂物。随着Ce含量进一步增加至0.020 wt%，钢中的主要夹杂物仍然是Ce?O?S和少量的Ce?O?，同时也没有形成Al?O?夹杂物。然而，CeN夹杂物可能在低温下形成，对材料性能产生不利影响。

为了抑制Ce在ESR过程中的氧化，研究提出了一种优化策略，即在渣中使用Ce?O?部分替代Al?O?。通过计算不同Ce?O?含量下Al?O?和Ce?O?的活度以及反应（3）的吉布斯自由能变化，发现随着渣中Al?O?含量的减少和Ce?O?含量的增加，反应（3）的吉布斯自由能变化从-259.34 kJ/mol增加至-81.81 kJ/mol，这表明虽然无法完全避免Ce的氧化，但通过优化渣体系，可以有效抑制这一过程。同时，研究还发现，CaO的添加可以提高Ce的回收率，但过量的CaO会增加渣的熔点和粘度，影响钢锭的表面质量。因此，为了达到目标Ce含量，需要在电极中维持较高的初始Ce含量，而不是增加CaO的含量。

综上所述，本研究通过系统的实验和热力学分析，揭示了Ce在VIM和ESR过程中对夹杂物演变的影响。研究结果表明，Ce的添加在VIM过程中可以有效细化夹杂物，提高材料的疲劳性能；但在ESR过程中，由于Ce与Al?O?的反应，导致Ce含量下降和夹杂物粗化，影响材料的性能。通过优化渣体系和控制Ce的含量，可以有效避免有害夹杂物的形成，提高材料的性能和使用寿命。这些发现为高耐热钢的生产提供了理论依据和技术支持，有助于进一步推动其在第四代核能系统等关键领域的应用。