15Co18Ni10Cr4MoE 钢真空脉冲渗碳过程中的碳扩散与碳化物控制的碳分配：一种逐步参数识别方法

《Vacuum》：Carbon diffusion and carbide-controlled carbon partitioning during vacuum pulse carburizing of 15Co18Ni10Cr4MoE steel: A stepwise parameter identification approach

　　摘要采用真空脉冲渗碳工艺对15Co18Ni10Cr4MoE齿轮钢进行渗碳处理，在增压阶段使用400 Pa乙炔，在扩散阶段使用120 Pa氮气。通过光学显微镜、扫描电镜/电子背散射衍射（SEM/EBSD）、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）以及辉光放电光发射光谱（GD-OES）等手段表征了碳扩散行为与碳化物的演化过程，并建立了碳浓度预测模型。结果表明，真空脉冲渗碳过程伴随着碳化物的析出、部分溶解以及碳的重新分配，渗碳层中的主要粗大碳化物被鉴定为M7C3型碳化物。热力学计算表明，在碳化物析出开始之后，奥氏体中溶解的碳浓度逐渐偏离总碳浓度，并趋近一个与温度相关的饱和极限。碳活度分析进一步表明，碳化物的析出以及与之相关的合金元素重新分配，显著改变了近表面高碳区域中碳的热力学状态，使得传统的单相扩散处理方法不再适用。此外，C2H2/N2交替的真空气氛产生了一个与阶段相关的碳供给边界，本文采用等效近表面碳储库对其进行表征。基于上述认识，本文采用了分步参数辨识策略：首先在高温、低碳化物区域辨识扩散系数与等效边界参数，随后在保留已辨识基体扩散公式的前提下，于中温区域辨识碳化物析出/溶解的动力学参数。所建立的模型能够较好地预测不同真空脉冲渗碳工艺条件下的碳浓度分布，为高合金齿轮钢的工艺设计与优化提供了具有物理依据的框架。引言为满足航空发动机在高负荷与复杂服役条件下日益提高的性能要求，关键传动部件需要具备高承载能力、耐磨性以及结构可靠性。因此，对高性能合金钢进行表面强化处理仍是提高其服役耐久性的的重要途径。真空渗碳与常规气氛渗碳在碳向钢表面供给的方式上存在根本区别。抽真空后，将乙炔等烃类气体引入炉内，其在钢表面发生催化分解并在表面沉积碳原子。该工艺路线大幅降低了氧分压，从而抑制了常规气氛渗碳中常见的晶间氧化问题。先前的研究还表明，在真空渗碳条件下，乙炔可以降低氧分压，并促进钢表面原生氧化层的分解或去除，从而维持有利于碳吸收的活性表面。因此，在本研究富乙炔的真空渗碳条件下，残余氧对整体渗碳过程的影响预计较为有限，不太可能构成主要的控制因素。同时，在增压阶段可形成富碳沉积物，即使在外部烃类供给中断后仍会持续参与碳的传递，表明表面碳供给条件本质上具有瞬时变化特性。因此，采用简单的恒定碳势边界来描述真空渗碳是不够的。尽管如此，真空度的变化以及残余气体成分的变化仍可能影响烃类分解以及活性表面的可利用性，从而影响有效碳吸收量。因此，在建立真空渗碳模型时，应将真空气氛视为表面边界条件的重要组成部分。15Co18Ni10Cr4MoE钢是面向严苛航空传动应用而开发的一种典型高性能渗碳齿轮钢。其高合金含量结合渗碳表面强化特性，使其适用于承受高接触应力和循环载荷的部件。然而，15Co18Ni10Cr4MoE钢的高合金化程度以及真空渗碳的脉冲气氛特征，使得渗碳层的精确控制比常规低碳齿轮钢更为困难。从冶金学角度看，15Co18Ni10Cr4MoE钢的真空渗碳行为受其复杂合金体系的强烈影响。除了相对较高的Co和Ni含量外，该钢还含有Cr、Mo、V等碳化物形成元素。在真空渗碳过程中，局部碳浓度的变化会促进碳化物的析出或溶解，从而在奥氏体基体与碳化物相之间产生持续的碳分配。因此，实验测得的总碳浓度不能总是被视为等同于直接参与扩散的奥氏体溶解碳浓度。碳化物的析出与溶解不仅改变了可用于扩散的溶解碳量，还可能改变奥氏体基体的局部合金成分和热力学状态。因此，该钢中的碳传质不能仅用传统的单相扩散过程来描述。真空渗碳的脉冲特性进一步增加了这一行为的复杂性。该工艺通常由交替进行的增压阶段和扩散阶段组成。在增压阶段，在减压条件下引入乙炔，迅速建立起富碳的表面状态。在随后的扩散阶段，外部烃类供给被切断，而此前已吸收或沉积在近表面的碳继续向钢内部重新分配。现有的真空渗碳模型主要通过规定表面碳浓度、引入传质系数或采用与阶段相关的边界条件，来描述表面碳传质、气固界面反应以及钢中的碳扩散。然而，在高合金钢中，碳化物的析出与溶解引入了一个额外的碳储存/释放过程，该过程与基体扩散强烈耦合。如果利用相同的总碳浓度分布同时拟合扩散参数和碳化物动力学参数，这两种过程的影响可能高度相关，使得难以区分它们的物理贡献，并降低了所辨识参数在不同工艺条件下的可迁移性。因此，需要一种建模方法，既能够区分基体中的碳扩散与由碳化物控制的碳重新分配，又能够保留真空渗碳的瞬时边界特征。在本研究中，首先通过实验表征了15Co18Ni10Cr4MoE钢渗碳层的微观组织演化与碳浓度分布。随后采用热力学计算建立总碳浓度与奥氏体溶解碳浓度之间的关系，并采用碳活度分析评价碳化物析出及合金元素重新分配对碳扩散驱动力所产生的影响。考虑到增压阶段与扩散阶段交替的真空气氛，本文引入等效近表面碳储库来描述瞬时的表面碳供给边界。在此基础上，提出了分步参数辨识策略：首先在高温、低碳化物区域辨识基体扩散系数，然后在保留已辨识扩散系数的情况下，在中温区域确定碳化物析出/溶解的动力学参数。最后，利用未参与参数拟合的渗碳工艺对所辨识参数进行验证。材料与方法在真空渗碳之前，本研究所用所有15Co18Ni10Cr4MoE钢试样均通过湿磨砂纸去除表面钝化层，露出新鲜表面以用于后续真空渗碳。实验用15Co18Ni10Cr4MoE钢的初始化学成分由GD-OES测定，见表1。用于相分析的试样通过线切割制备为24 × 24 × 12 mm的方块，所有试样均使用自动磨抛机进行预磨。渗碳层的微观组织分析首先对真空渗碳的15Co18Ni10Cr4MoE钢开展了短周期增压与扩散实验。图2展示了实验后所得的晶界浸蚀金属学横截面显微组织照片。这些图像揭示的微观组织变化表明，真空渗碳并不仅仅是一个碳向材料内扩散的过程，而可能是与碳化物形成、部分溶解以及碳的重新分配相耦合的演化过程。分步参数辨识的依据与可行性相组成计算表明，随着总碳浓度C_tot的增加，奥氏体相的相对含量显著下降，而M7C3等碳化物的相对含量则持续增加。此外，碳化物析出的起始碳浓度随温度升高而向更高数值偏移。这表明，在相对较低温度下，奥氏体中的碳溶解度更低，碳化物析出对碳浓度的敏感性更强。相比之下，在较高温度下则呈现不同的行为。结论(1) 15Co18Ni10Cr4MoE钢在真空渗碳过程中存在显著的碳化物耦合作用，其中碳的传质伴随着碳化物的析出、部分溶解以及碳的重新分配。渗碳层中的主要粗大碳化物可被鉴定为M7C3型碳化物。(2) 热力学计算表明，在940–1040 °C的温度范围内，奥氏体中溶解碳的浓度存在一个与温度相关的饱和极限。作者贡献声明Yin He：撰写——初稿、可视化、软件、资金获取、形式分析、数据管理、概念构思。Xijun Zeng：资源、资金获取。Ning Li：验证、调查研究、形式分析、数据管理。LiQun Li：调查研究、形式分析。ZhiYu Chi：调查研究、数据管理。XiaoLi Meng：调查研究。XinXin Ma：撰写——审阅与编辑、验证、项目管理。利益冲突声明本文作者特此声明，就本研究报告可能存在的任何经济利益、个人关系或职业关系如下：我们已获得中国航空发动机集团哈尔滨东安发动机公司的研究资助。本研究的结果可能为中国航空发动机集团哈尔滨东安发动机公司带来直接或间接的经济利益。作者已认真考虑并确认，除上述声明外，不存在其他潜在的利益冲突。致谢我们谨向中国航空发动机集团哈尔滨东安发动机公司致以诚挚的谢意，感谢其对本研究的慷慨资金支持。其资助为我们实验工作的顺利推进起到了关键作用，并为我们的研究项目奠定了坚实基础。作者：Yin He、Xijun Zeng、Ning Li、LiQun Li、ZhiYu Chi、XiaoLi Meng、XinXin Ma