3.2 焊缝金属的微结构

   各试样焊缝金属微结构截面如图5所示：通过对每个试样观察发现：奥氏体相是初生相。24Cr-26Ni是奥氏体的单相凝固；而在2Nb，2Ti和2Zr的枝晶晶间界处发现了第二相; 通过EDX分析，每个样品的第二相中都检测出各种合金元素；在2Nb中观察到颗粒状和膜状成分， 2Ti中主要形成颗粒成分；在2Zr中可以观察到沿枝晶分布的薄膜成分。XRD分析表明：试样中成分为MC碳化物和Laves相；。由于合金元素比奥氏体相的分配系数低，在枝晶晶间界之间产生偏析，导致枝晶晶间界之间合金元素富集，必然形成第二相。

    图6所示为TEM的亮场像以及合金元素在各样品成分附近的区域映射。每种合金元素都富含第二相。图6亮场像中，实心箭头指示的成分中碳含量较高，空心箭头指示的成分中铬、镍和铁含量较高。因此，如图6(a)所示:在2Nb的情况下，NbC作为MC碳化物，Laves相由铬、镍或铁与铌组成；此外，如图6(b)所示，2Ti中的Laves相由铬，镍或铁混钛构成；在2Zr情况，如图6(c)所示， ZrC为MC碳化物，由铬、镍或铁混锆组成2ZrLaves相。根据透射电子显微镜（TEM）观察到的成分几何结构，碳化物呈薄膜状，Laves相呈颗粒状；证实2Nb和2Ti中也是类似的趋势。从图5的微观结构可以看出，在2Nb情况下，因为颗粒的数量和薄膜成分的数量几乎相同，所以Laves相和MC碳化物的比例是相同的；由于碳化物的主要成分是颗粒状，它必定在2Ti中行成，Laves相是薄膜状，它必定在2Zr中形成。

图5 每种试样的微结构截面

图6 TEM-EDX测图分析各试样第二相（线上为彩色版）

（a）2Nb；（b）2Ti；（c）2Zr

   3.3 凝固计算

   本节研究ΔT和BTR之间的关系。图7所示为基于Scheil模型的凝固计算结果。图7（a）所示2Nb情况下，拐点位于1067.20℃，该点为Laves相形成的起始温度。另一方面，在2Ti情况下，第一个拐点出现在I318.90 C，第二个拐点出现在1103.0 ℃；第一个拐点是MC碳化物形成的起始温度，第二个拐点是Laves相形成的起始温度。合金元素类型不同，第二相形成的拐点数目和起始温度也不同。结果表明：合金元素的分配系数、第二相形成产生的吉布斯能量、合金元素以及碳的活度等因素对这些差异均有一定的影响。

 图7 基于Scheil模型的固化计算（线上版本为彩色）

图8 ΔT和BTR的比较  

    图8所示为ΔT和BTR之间的对比。已知ΔT和BTR之间存在相关性，以24Cr-26Ni为例，ΔT为70.1℃，ΔT和BTR之间没有显著差异，添加不同的合金元素如2Ti，ΔT和BTR的值几乎相同；但是在2Nb的情况下，ΔT为359.40℃， 与BTR的差异约为200℃。尽管在2Nb中发现了MC碳化物和Laves相，但在凝固计算中只形成了Laves相。在这些化学成分的凝固计算中，铌、钛等合金元素的偏析量显著大于数据库中的建议值，假定由于偏析量高于建议值而导致数据库不可靠，并且根据埃林厄姆（Ellingham）图，铌的ΔG0大于钛的ΔG0，这些因素会影响计算凝固与实际凝固之间第二相形成过程中的差值，即ΔT和BTR之差。因此，所用试样的化学成分必须与数据库相对应，并且需要构建更详细的计算模型。此外，业内普遍认为：凝固过程中过量合金元素的偏析会影响这一差值。

   3.4合金元素对凝固裂纹敏感性的影响

   实验结果表明，合金元素的种类不同，BTR的发展趋势也不同，添加钛元素会导致BTR增大。根据埃林厄姆图，锆和钛比铌更容易形成MC碳化物；此外，钛的原子量约为铌或锆的原子量的一半。如3.2节所述：每个试样焊接金属中均观察到MC碳化物和Laves相。不过，形成的第二相类型和数量取决于合金元素的类型，在2Nb中, MC碳化物和Laves相的形成比例相同。比较而言，Laves相主要在2Ti中形成，MC碳化物在2Zr中形成。计算结果表明：MC碳化物和Laves相在2Ti凝固过程中形成；此外，2Ti的ΔT小于2Nb的ΔT，MC相作为第二相的起始温度高于Laves相。不过，2Ti的BTR比2Nb高100℃，2Ti中MC碳化物的形成量比2Nb或2Zr中少得多。

   结果表明：MC碳化物的形成是由于合金元素在凝固过程中发生偏析，而Laves相则是在凝固过程中形成并在固态沉淀，因此，本项研究中观察到Laves相不仅在凝固过程中形成，而且在固态沉淀，这将导致残留液相中的钛偏析持续到较低温度。图9所示为观察到的淬火显微组织，从凝固低温侧观察可以发现：显微组织中颗粒成分的Laves相在室温环境下行成；此外，与2Nb和2Zr相比，2Ti的颗粒成分出现在较低温度侧。由此可以推测：大量的液相会一直保持到低温，所以可认为2Ti中的BTR发生膨胀。由于原子质量存在差异，分离出的过量钛的数量必定大于铌或锆，那么，过量钛的偏析引起固相温度降低，导致2Ti的BTR增加。另一方面，虽然锆对碳化物的亲和力比铌高，但2Zr的BTR大于2Nb。即使假定合金元素的分配系数会影响BTR的趋势，但此因素的详细情况仍不明确；因此，有必要根据添加的合金元素对偏析趋势进行详细研究，并构建一个考虑偏析的更加详细的计算模型。

图9每个试样焊缝金属的淬火组织(线上版本为彩色)

   4 结论

   本文研究论述了铌、钛、锆等合金元素对全奥氏体不锈钢焊缝凝固开裂敏感性的影响。TCL按照2Nb>2Ti>2Zr顺序下降；另一方面，MCL按照2Ti>2Zr>2Nb顺序下降；TCL与MCL之间的长度排序趋势是不同的。BTR按照2Ti>2Zr>2Nb顺序下降。2Ti中最大BTR为266.9C，约为24Cr-26Ni的三倍。含有合金元素的试样中，第二相如MC碳化物与Laves相形成于枝晶胞界；2Nb中MC碳化物和Laves相的形成比例相同；与此相反，Laves相主要形成于2Ti中，MC碳化物主要形成于2Zr中；在2Ti的情况中，计算所得ΔT和BTR值几乎相同；而2Nb中的ΔT为359.4 ℃，与BTR相差约200℃，2Nb的微结构中发现了MC碳化物和Laves相，而在凝固计算中只发现了Laves相。由此可推断：根据凝固过程中过量合金元素的不同析出状况，计算凝固与实际凝固之间的差异将会影响ΔT和BTR之间的差值。因此，有必要根据添加的不同合金元素对偏析趋势进行详细的研究，建立考虑偏析影响的较为详细的计算模型。