汽车尾气净化器载体用FeCrAl不锈钢凝固特性研究

发布时间：2018-11-02 18:18

【摘要】：FeCrAl不锈钢具有优异的抗高温氧化性能和低的热膨胀系数,是金属蜂窝型汽车尾气净化器载体的理想材料。然而目前对FeCrAl不锈钢的凝固特性的把握严重不足,造成汽车尾气净化器载体用FeCrAl不锈钢箔材的生产成本居高不下,严重制约了我国金属蜂窝型汽车尾气净化器的推广应用。鉴于此种情况,本文主要从以下四个方面对FeCrAl不锈钢凝固特性的基本面进行系统研究：1)液固相线的确定；2)液固界面形貌的转变与偏析；3)FeCrAl不锈钢所属多元系的相图与相变；4)Ti对FeCrAl不锈钢铸锭的凝固组织与高温力学性能的影响。1)液固相线的确定采用高温差示扫描量热法(DSC)测定不同成分FeCrAl不锈钢的液相线和固相线,并分别采用Thermo-calc软件和经验公式计算液相线,分析不同计算结果与相应的DSC实测液相线的偏差确定了适合FeCrAl不锈钢的液相线计算公式,计算偏差小于6℃。DSC曲线和Thermo-calc凝固计算都表明FeCrAl不锈钢的凝固路径为：L→L+δ→δ。对Thermo-calc计算的fs-T(固相分率-温度)曲线和DSC实测固相线进行综合分析,发现fs=0.99可以作为FeCrAl不锈钢的凝固终点,相应的温度可以作为固相线。采用该方法分别计算Fe-Cr-Al三元系和Fe-Cr-Al-X(X=C,Si,Mn)多元系的固相线,分析不同组元对Fe-Cr-Al三元系固相线的影响,最终得到了适合FeCrAl不锈钢的固相线计算公式,计算偏差不大于6℃。2)液固界面形貌的转变与偏析采用Bridgeman定向凝固和光学显微镜研究了FeCrAl不锈钢在不同凝固条件下的液固界面形貌转变规律和尺度特征。结果表明,随着冷速v'的增大,液固界面形貌发生了如下转变：平界面(v'=0.012℃/s)→树枝晶界面(v'=0.3℃/s)→胞晶界面(v'=0.6℃/s)→六边形胞晶界面(v'=1.8℃/s)。二次枝晶间距可以用现有的适用于二元合金的公式比较准确的预测。采用电子探针分析了不同界面形貌下Al的分布,并计算Al的分配系数。结果表明,Al在平界面两侧的分配系数kAl=0.95～0.97。其它界面形貌下的元素面扫描分析表明Al没有发生明显的偏析。3)多元系垂直截面图的计算与分析采用Thermo-Calc热力学软件计算了FeCrAl不锈钢所属的Fe-(18～21)Cr-(3～5)Al-(0～0.03)C-(0～0.2)Si-(0～0.2)Mn多元系垂直截面图,并结合相关的文献资料加以分析和研究,结果如下：FeCrAl不锈钢的平衡相组成应该为A1N,两种碳化物Cr7C3和Cr23C6,两种富Cr相σ和α'：Cr7C3是否析出主要取决于体系C含量,σ相是否析出主要取决于体系的Si含量。最终得到了FeCrAl不锈钢平衡相变路径图,结果表明FeCrAl不锈钢在常温下的平衡相组成为aFe+AlN+Cr23C6+a'。4) FeCrAl不锈钢Ti处理研究采用Thermo-Calc凝固计算Fe-Cr-Al-Ti-N体系中TiN在凝固前沿析出的条件。用真空感应炉熔炼不同Ti含量的FeCrAl不锈钢铸锭并分析低倍组织,结果发现Ti含量为0.088%的铸锭中心等轴晶率最高,为39.5%。随着Ti含量的进一步提高,中心等轴晶比例显著降低。高温抗拉强度分析和扫描电镜下的断口显微分析结果表明,含Ti铸锭中的TiN夹杂很容易诱发裂纹,不利于铸锭高温力学性能的改善。夹杂物的扫描电镜分析表明,Ti主要以纯TiN、 TiN-AIN复合夹杂、TiN-Al2O3复合夹杂、TiS夹杂和TiS-氧化物复合夹杂赋存于铸锭中。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG142.71

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本文编号：2306582