超级奥氏体不锈钢(以下简称超奥钢)是一种超低C、高Mo、Cr、Ni和N元素的不锈钢,其合金含量达50%,耐点蚀指数≥40,广泛应用于海洋、环保、化工等苛刻腐蚀环境。由于该钢种凝固过程中易出现晶粒粗大、偏析严重且中心部分析出脆性相等问题,增加了工业化生产难度,国内企业已能试制,但仍存在一些问题。为了有效细化超奥钢凝固组织,减少偏析及第二相,本论文探索在此高合金钢中添加稀土 Ce,旨在细化S31254凝固组织,减少合金元素偏析,达到控制第二相析出的目的。钢中添加稀土 Ce是重要的细化凝固组织晶粒的方法,在低合金钢中已进行广泛应用,本论文进一步探索稀土在高合金钢中凝固过程的作用机理。首先,论文以某厂连铸生产的S31254超奥钢连铸坯为分析对象,系统分析了铸坯凝固偏析及第二相析出。结果表明,柱状晶发达占比85.3%,而等轴晶狭小仅10%,且σ相在柱状晶-等轴晶(columnar to equiaxed transition,CET)转变前沿大量析出;钢中σ相是以离异共晶反应析出;芯部等轴晶区微观凝固组织粗大,枝晶间Mo元素微观偏析严重(偏析比SR=6.43),凝固组织中σ相比例可达6.1%。因此,细化凝固组织晶粒尺寸,扩大等轴晶区比例,改善凝固偏析,成为S31254超奥钢稳定化生产的关键。采用Thermo-Calc热力学软件TCFE9数据库,计算了超奥钢凝固路径、相种类、相分数,以及各合金元素对相图的影响规律。结果表明,超奥钢平衡凝固路径:L→γ;非平衡凝固路径:L→L1+γ→L2+γ+δ→γ+δ+σ。γ相、δ相和σ相分别在1394.5℃、1371.4℃和1318.8℃析出。其中,Mo偏析是导致σ相析出的主要原因,δ相和σ相析出时液相中Mo含量分别为8.5 wt%和11.3 wt%。热力学计算表明稀土 Ce具有促进凝固过程δ相析出的功能。钢中添加稀土 Ce可以扩大凝固过程δ相的析出区间,当Ce含量为0.1 wt%时,凝固末期δ相的Mo析出含量降低0.24 wt%,析出温度升高1.6℃。基于Gulliver-Scheil模型,非平衡凝固过程Ce原子在液相中富集,当钢中Ce含量为0.016 wt%时,在凝固末期其含量最高可达1.37 wt%。采用高温共聚焦原位观察法,研究了钢中添加0.016 wt%Ce对凝固形核和晶粒长大的影响规律。在50℃/min冷速下,稀土 Ce使奥氏体凝固形核面密度由68.8个/mm2提高至280.0个/mm2,将晶粒生长速率由～20μm/s降低至～2 μm/s。基于 Johnson-Mehl-Avrami-Kologoromov(JMAK)模型对凝固过程动力学分析。结果表明:含Ce超奥钢的形核机制由位置饱和型转变为位置饱和型加Avrami形核,凝固速率常数k由3.91×10-3降至1.79×10-5,凝固激活能降低139.86 kJ/mol。含Ce复合夹杂物(Ce2O3-Al2O3-SiO2系)的异质形核作用有效促进了凝固形核,且Ce在样品表面和固液界面富集而产生成分过冷度是稀土能够降低晶粒生长速率的主要原因。含Ce超奥钢在高冷速下(100℃/min),形核数量密度可达440.3个/mm2,晶粒尖端生长速度可达22μm/s,同时易导致多个奥氏体晶粒发生生长融合现象,使稀土 Ce细化凝固组织功能降低。基于本研究,含0.016 wt%Ce S31254超奥钢在冷却速度为50℃/min发挥了最好的细化晶粒的效果。采用定向凝固和差热分析的方法,研究了钢中添加0.016 wt%Ce对凝固偏析和相组织演变规律。结果表明,S31254超奥钢实际凝固路径遵循热力学计算结果,首先由L→γ,继而从L→γ+第二相。Ce元素的添加使奥氏体和第二相析出温度差ΔT降低了 3.2℃,并通过增加残余液相成分过冷,促进铁素体相先于脆硬相σ的析出,而对固液界面前沿Mo的溶质再分配作用有限。中低冷速条件下,铁素体优先析出是改善凝固组织微观偏析的重要原因,在78℃/min的冷速条件下,通过铁素体析出,消耗液相中Mo元素,使Mo元素偏析比由4.11降至2.71,从而改善凝固组织的微观偏析。此外,铁素体的优先析出可缩短均匀化时间,降低枝晶间第二相的硬度,利于热加工的顺行。采用真空感应炉熔炼浇铸和模拟计算相结合的方法,研究了钢中添加0.005 wt%Ce对铸态组织演变和第二相析出的影响规律。结果表明,铸锭芯部在中等冷却(37.5℃/min-69℃/min)条件下,依靠含Ce复合夹杂物的异质形核作用,通过增加凝固过程形核晶粒密度,促进CET转变,使铸锭等轴晶区比例由18.38%扩大至50.81%;细化铸锭芯部等轴晶区凝固组织,使微观晶粒密度由2.06×108/m2提高至3.00×108/m2。铸锭等轴晶区比例的扩大及微观晶粒密度的增加减少了铸锭芯部的第二相析出,使铸锭芯部第二相比例由5.6%降至2.5%,且第二相尺寸细小、分布弥散,有利于铸锭芯部组织均匀化。