低镍奥氏体不锈钢定向凝固组织CAFE法模拟

通过对ProCAST&CAFE软件进行二次开发建立凝固过程动态边界条件,模拟低镰奥氏体不锈钢定向凝固过程中的温度场和固相分数,并探讨抽拉速率对凝固微观组织的影响。结果表明，随着抽拉速率的增大，等温线变密,糊状区变窄;铸件一次枝晶臂逐渐细化,边缘侧向散热逐渐远小于中心纵向散热造成一次枝晶轴向偏差度逐渐减小，晶粒择优取向效果提高。与此同时，模拟结果与实验结果吻合较好,模拟计算形核、生长及取向过程较为合理。

奥氏体不锈钢凭借着高性能、可回收和低成本的优势在多领域得到了广泛的应用。同时，在可持续性发展战略的倡导下，奥氏体不锈钢的使用量快速增长，并对其质量提出了更高的要求。

由于不锈钢的组织结构受凝固过程的控制，微观组织又决定着不锈钢的各项性能和产品质量，所以对不锈钢的凝固特性进行研究就显得格外重要，它将是提高不锈钢品质的重要途径。定向凝固作为一种凝固控制手段，具有先进性和有效性的优点，在凝固理论研究以及实际生产中发挥了巨大的作用，为提高传统材料性能和研制开发新材料等方面做出了重大的贡献。

CAFE（cellular automata finite element method，CAFE）模型是基于晶体凝固模型，在CA方法中引入晶粒的晶体学取向和枝晶尖端生长动力学，并与有限元热流计算方法相结合，形成的元胞自动机-有限元模型的微观模拟方法。该方法可以模拟外层等轴晶与柱状晶的竞争生长、柱状晶区的形成、晶粒边界的取向与热梯度之间的关系、柱状晶向等轴晶的转变、在非等温温度场中的等轴晶粒的形状等。液态金属冷却法LMC（liquid metal cooling，LMC）以传导和对流的方式进行传热，它的温度梯度和冷却速率远高于高速凝固法HRS（high rate solidification，HRS）。LMC法的温度梯度基本不随铸型尺寸的增大而发生变化，与传统的HRS工艺相比，获得的凝固材料微观偏析更少，显微组织更均匀，具有更高的生产效率圆。Miller等]研究了LMC工艺下单晶的凝固过程及其参数，最终认为LMC工艺因其显著细化树枝晶的特点，可以更好地制备大尺寸单晶铸件。本工作采用三维数值模拟软件ProCAST，外挂C语言编写程序，分析了LMC法制备低镍奥氏体不锈钢定向凝固过程中的温度场、固相分数以及微观组织，为低镍奥氏体不锈钢在实际冶炼过程中提供一定的参考依据。

模拟结果及讨论

温度场的模拟

对有限元软件ProCAST进行二次开发，采用C++外挂程序编译了带有液态金属冷却边界条件的ProCAST，分别对LMC液态冷却法不同拉速工艺进行温度场和糊状区的模拟计算。

图4为不同拉速下隔热板到达相同高度时温度场计算结果，随着抽拉速率的加快，等温线变得越来越密集，且随着拉速在15~200um/s范围内增大，等温线富集区逐渐下移到隔热板下方。一方面，LMC技术较HRS具有加快部分已凝固金属冷却速率的优势，可以获得较为稳定的轴向温度梯度，其温度场波动仅为HRS的1/4~1/218，17，因此，采用LMC技术将会更好的保证枝晶生长的稳定性；另一方面，拉伸速率的提高可以获得更加密集的温度场，也就是可以提高不同部位的凝固速率。

故拉速为200um/s的LMC技术在细化晶粒和均匀组织方面更具有优势，铸件采取该工艺进行凝固过程，也会促进获得高质量的定向结晶低镍奥氏体不锈钢。

图5为相同隔热板位置处，糊状区的形状和位置。拉速在15~200um/s之间逐渐增加，冷却能力逐渐小于拉速，糊状区相对于绝热挡板的位置逐渐下移；且随着拉速的提高，糊状区变窄。糊状区的宽度变窄，对凝固组织的稳态生长是非常有利的，凝固过程越接近逐层凝固，最后得到的铸件组织性能越好；相反，如果糊状区的宽度变宽，凝固过程则越接近体积凝固，将会导致获得的铸件存在的缺陷会不断增加。因此，在此实验基础下可以得到的结果为：当抽拉速率不大于200um/s时，糊状区随着拉速的增大而变窄，此时得到的凝固组织将会更均匀、更细小，获得的铸件性能也会优良。

微观组织模拟

固液界面前沿液相中的温度梯度G1和固液界面向前推移速率（也就是凝固速率）V是定向凝固过程中两个重要的控制参数，凝固组织的稳定性主要取决于GL和V。G/V是控制晶体长大和组织形貌的重要判据。图6为相应工艺条件下凝固组织模拟结果，定向凝固铸件微观组织分为未熔化区域、过渡区域、稳态区域和淬火区域四个部分，图6中显示：拉速在15~200um/s之间变化时，随着生长速率的增加，铸件过渡区域的长度逐渐地减小。根据凝固理论，在定向凝固过程中，成分过冷会由于过渡区的溶质含量逐渐增加而在固-液界面前沿形成，然后促进第二相的形核。由铸件的含量可知，Ni和Cr有着不一样的溶质分配系数，因此界面前端成分过冷区Ni和Cr的相对含量会不断改变，随之也会使铁素体和奥氏体的形核能力发生变化，所以，铸件的凝固模式会随着拉速的加快而改变。

15um/s拉速下，冷却能力大于抽拉速度，糊状区位于隔热板上方，淬火区比例小；随着拉速增大到200um/s，冷却能力小于抽拉速度，糊状区位于隔热板下方，轴向温度梯度增大，淬火区比例变大，同时过渡区比例逐渐减小。另外，由图6可见，随着抽拉速率的提高，稳态区的晶粒个数增多，组织更加细小。随着拉速的增加，固液界面向前推移的速率增大，在温度场一定的情况下液态金属凝固时的冷却速率也相应地加快，所以稳态区得到的枝状晶组织尺寸会越来越小。

图7为各工艺下模拟铸件相同位置35mm处<001>取向极图。从（a）~（e）所示的极图中可以发现，随着拉速的增大，极图中分布的晶粒数越来越密集。另外，模拟得出铸件底部凝固组织的晶粒取向是杂乱排列、无方向性的。结合图6与图7可以看出，随着拉速的增大，固液界面向前推移速率V增加，温度梯度GL不变，G/V逐渐降低，成分过冷逐渐增加，获得轴向温度梯度增大，这有利于二次枝晶的横向生长和三次枝晶的分枝形成，横向切面处的晶粒数量逐渐增大。从极图中可以发现，晶粒的颜色不是单一的，而且它们的分布也是随机的。由于极图中不同颜色的晶粒代表着不同的位向结构，故而铸件底部的凝固组织有着杂乱无序且无方向性的晶粒取向。

图8为15~200um/s拉速下，模拟铸件相同位置35mm处一次枝晶轴向取向偏差，这里的取向偏差表示<001>晶向与试样轴向的偏离角。随着拉速的提高，铸件边缘侧向散热小于中心散热，造成一次枝晶轴向偏差度由27.66°减小为25.964°，与<001>晶向偏离角较大的晶粒逐渐被淘汰，有利于获得取向良好的<001>定向凝固组织，使低镍奥氏体不锈钢铸件具有优良的性能。有研究表明10，191，铸件在进行定向凝固时，一次枝晶臂间距是自组织选择过程，在固定的凝固参数作用下，柱状晶一次枝晶臂间距有一个稳态区。相邻枝晶臂之间因其溶质分配系数不同而存在强烈的溶质交互作用，生长时会出现竞争现象，通过淹没机制来调整枝晶臂间距至稳态区间。拉速的提高会促进晶粒生长机制择优取向的趋势，使铸件的一次枝晶轴向偏差越来越小。

模拟结果的实验验证

图9为200um/s拉速下铸件晶粒组织模拟结果与实验结果对比，其中（1）、（2）、（3）和（4）分别为淬火区、稳态区、过渡区和未熔化区。定向凝固过程中，在初始阶段要经历一个非稳态的凝固过程，组织在未熔化区为细小的等轴晶粒。随着凝固过程的推移，在未融化区基础上的晶粒逐渐形核长大，开始向柱状晶区过渡。随着抽拉的进行，具有择优取向的晶粒稳定生长，同时开始生成一次枝晶、二次枝晶和三次枝晶，继而进入稳态区。与过渡区相比，稳态区中心区域的晶粒数量多，晶粒度小，晶粒尺寸逐渐细化。进入稳态生长后，约抽拉至35mm左右时淬入冷却介质中。对比可见模拟与实验结果吻合较好。

结论

（1）通过外挂C语言程序，二次开发ProCAST&CAFE软件，实现了定向凝固过程中的复合动态变换边界条件，完成未熔化区与淬火区的数值模拟。

（2）LMC液态合金冷却法定向凝固过程中，当抽拉速率从15um/s增加到200um/s时，等温线、温度梯度和糊状区的变化趋势分别为变密、增大和变窄。这些变化对组织的均匀性和细化有着促进作用；同时，对铸件的组织缺陷具有抑制效果。

（3）低镍奥氏体不锈钢在15~200um/s拉速下，随着拉速的提高，铸件边缘侧向散热逐渐小于中心纵向散热，造成一次枝晶轴向偏差度由27.66°减小为25.964，与轴向偏差较大的晶粒逐渐被淘汰，从而使铸件获得取向良好的<001>定向凝固组织。