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宮聲凱、劉正東、呂昭平:金屬結(jié)構(gòu)材料在工程應(yīng)用領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化突破

2019-11-12 11:25:08 作者：胡凡來(lái)源：材料人分享至：

金屬結(jié)構(gòu)材料作為航空航天、交通運(yùn)輸、國(guó)防裝備等國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要領(lǐng)域的骨干材料，是國(guó)防安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)材料，也是支撐我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展的關(guān)鍵材料。近年來(lái)，我國(guó)面向國(guó)家重大需求和重大工程的先進(jìn)金屬結(jié)構(gòu)材料制備技術(shù)獲得了多項(xiàng)重大突破，先進(jìn)金屬結(jié)構(gòu)材料基礎(chǔ)研究水平和進(jìn)展得到國(guó)際矚目和認(rèn)可。

1、Ni3Al金屬間化合物基單晶高溫合金

目前幾乎所有的先進(jìn)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用單晶合金渦輪葉片，通常是利用Re、W、Mo、Ta、Ru等難熔合金元素的固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用來(lái)提高耐溫能力。

第一代單晶合金是在70年代由M. Gell等人研制成功的單晶合金PWA1480，以及美、英、法、俄、日相繼推出的Rene' N4、CMSX-2/3、SRR99、AM1等合金；80年代出現(xiàn)的PWA1484、Rene' N5、CMSX-4、SC180、MC2等第二代單晶合金，其耐溫能力提高了約30℃；第三代單晶高溫合金CMSX-10、Rene' N6的承溫能力超過(guò)1100℃，約含有6%Re元素，密度為9.05g/CM3，成本比第二代高溫合金增加50%；21世紀(jì)初期，通過(guò)添加Ru、Pt、Ir等元素，發(fā)展出TMS-138/162等為代表的第四、五代單晶高溫合金，但這些合金元素儲(chǔ)量稀缺、價(jià)格昂貴，因此制約了其推廣和應(yīng)用。

針對(duì)第三代、第四代Ni基單晶高溫合金密度高、成本高、1150℃及以上高溫蠕變強(qiáng)度退化等問(wèn)題，北京航空大學(xué)宮聲凱教授等人研發(fā)了一種低密度、低成本、高強(qiáng)度Ni3Al基單晶合金IC21，其中，Re含量不大于1.5%，密度小于8.0 g/CM3，初熔溫度約為1345℃。經(jīng)過(guò)熱處理后，γ‘相分布均勻，體積分?jǐn)?shù)為80%左右，具有較高的γ’相立方化程度和排列有序度。

宮聲凱

宮聲凱，生于1956年7月，是我國(guó)高溫金屬結(jié)構(gòu)材料的學(xué)術(shù)帶頭人之一，自1994年以來(lái)一直從事提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心熱端部件承溫能力的科學(xué)研究和工程應(yīng)用，發(fā)明了高比強(qiáng)金屬間化合物基單晶合金，突破了抗高溫氧化防護(hù)、取向生長(zhǎng)控制以及雙層壁單晶葉片制備等關(guān)鍵技術(shù)，支撐了我國(guó)新一代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。研究成果獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)。授權(quán)發(fā)明專利80余件，發(fā)表SCI論文270余篇。

圖1、2為CMSX-4和IC21單晶合金的力學(xué)性能和薄壁鑄件不同區(qū)域的微觀組織。可以看出，IC21 單晶合金在1100 ℃下抗拉強(qiáng)度為490 MPa，屈服強(qiáng)度為470 MPa，在1100 ℃、140 MPa條件下的持久壽命可達(dá)170.5 h，1150 ℃、100 MPa條件下的持久壽命可達(dá)110.0 h。IC21 單晶合金具有良好的高溫組織穩(wěn)定性和較好的抗高溫氧化性，1080 ℃長(zhǎng)期熱暴露后，沒(méi)有拓?fù)涿芏严辔龀觯?100 和1150 ℃大氣中100 h 的氧化動(dòng)力學(xué)曲線遵循拋物線規(guī)律，氧化增重速率分別為0.015 和0.045 mg/（cm2·h）。組織結(jié)構(gòu)分析表明，該單晶合金的高溫強(qiáng)度主要來(lái)源于高的g‘相含量、高的合金錯(cuò)配度和致密的界面位錯(cuò)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖1 CMSX-4和IC21單晶合金的力學(xué)性能隨溫度的變化曲線

此外，宮聲凱等人研究發(fā)現(xiàn)高溫蠕變強(qiáng)度退化的機(jī)制是高溫服役時(shí)γ'/γ相界面強(qiáng)化效果降低和γ’相回溶，并對(duì)該合金鑄造工藝性、抗熱震性能、熱機(jī)疲勞性能的分析測(cè)試都取得了優(yōu)異的表現(xiàn)。IC21已經(jīng)在高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中獲得初步的應(yīng)用，為我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升和發(fā)展做出了重要探索。

圖2 復(fù)雜薄壁IC21單晶鑄件部分區(qū)域的微觀組織

2、中國(guó)核壓力容器大鍛件用鋼及其制造技術(shù)的發(fā)展與突破

核電是高效清潔能源，是優(yōu)化我國(guó)電源結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的重要措施，也是繼高鐵之后國(guó)家“走出去”的戰(zhàn)略性名片。高安全、大功率、長(zhǎng)壽期先進(jìn)壓水堆是我國(guó)核電發(fā)展方向，壓力容器、蒸發(fā)器、主管道及蒸發(fā)器傳熱管等核島主設(shè)備材料技術(shù)是實(shí)現(xiàn)核島設(shè)備大型化、一體化、高性能化及支撐核電安全運(yùn)行的關(guān)鍵和保障。2004 年前我國(guó)百萬(wàn)千瓦核島設(shè)備材料全部依賴進(jìn)口，2006 年我國(guó)引進(jìn)世界最先進(jìn)三代壓水堆核電技術(shù)，但核島關(guān)鍵材料技術(shù)外方不轉(zhuǎn)讓，長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，成為制約我國(guó)實(shí)現(xiàn)核電自主化的“瓶頸”問(wèn)題。

為此，鋼鐵研究總院劉正東教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)十余年艱辛攻關(guān)，先后突破壓力容器 SA508-3cl.1鋼大鍛件（300-600t級(jí)鋼錠）低溫韌性提升和組織性能均勻性控制技術(shù)、蒸發(fā)器高強(qiáng)SA508-3cl.2鋼大鍛件消應(yīng)力退火后強(qiáng)韌性匹配控制技術(shù)、整鍛316LN主管道大鍛件鍛造開裂和晶粒度控制技術(shù)、超長(zhǎng)薄壁690直管高信噪比公差一致性控制技術(shù)等系列核心關(guān)鍵技術(shù)，首次形成了三代壓水堆核電站核島主設(shè)備用關(guān)鍵材料化學(xué)成分內(nèi)控范圍、熱加工及熱處理等整套工藝方案，實(shí)現(xiàn)了核島主設(shè)備制造成套技術(shù)和裝備的集成，產(chǎn)品批量穩(wěn)定生產(chǎn)并應(yīng)用于我國(guó)紅沿河一號(hào)機(jī)組、防城港一號(hào)機(jī)組等三代核電工程，成功替代進(jìn)口。項(xiàng)目獲授權(quán)專利51項(xiàng)，形成企業(yè)技術(shù)秘密72項(xiàng)，制修訂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)、國(guó)家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)11項(xiàng)，發(fā)表論文74篇、專著3部，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果產(chǎn)出豐碩。

劉正東

劉正東，生于1966年，鋼鐵材料與冶金工程專家，長(zhǎng)期從事超超臨界火電站、核電站和核動(dòng)力工程用鋼及其工程應(yīng)用研發(fā)，由他牽頭研發(fā)的“壓水堆核電站核島主設(shè)備材料技術(shù)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，并在成分優(yōu)化匹配控制技術(shù)、低偏析MP澆注技術(shù)、一體化近凈成型鍛造技術(shù)、組織性能調(diào)控組合式熱處理技術(shù)等領(lǐng)域取得了一系列的研究進(jìn)展和突破，使國(guó)產(chǎn)核島大鍛件國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率已達(dá)到90%，目前我國(guó)核電工程制造技術(shù)已躍居世界先進(jìn)水平。

迄今為止，國(guó)際上最先進(jìn)的商用核電技術(shù)為三代百萬(wàn)千瓦壓水堆核電站，其首堆均在我國(guó)建設(shè)，我國(guó)已然成為世界壓水堆核電技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家，正在成為世界核電強(qiáng)國(guó)。同時(shí)，國(guó)家核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃明確提出“到2020年我國(guó)核電運(yùn)行裝機(jī)容量調(diào)整為7000萬(wàn)千瓦，在建3000萬(wàn)千瓦”，據(jù)此，“十三五”期間我國(guó)每年需開建8-10臺(tái)百萬(wàn)千瓦壓水堆核電機(jī)組，作為我國(guó)創(chuàng)新性國(guó)家建設(shè)標(biāo)志之一的中國(guó)核電必將走出國(guó)門。

該項(xiàng)目成功填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外核島主設(shè)備材料技術(shù)空白，創(chuàng)新技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，徹底實(shí)現(xiàn)了我國(guó)百萬(wàn)千瓦壓水堆核島主設(shè)備材料技術(shù)自主化，顯著提升了國(guó)家高端裝備制造業(yè)核心能力，為我國(guó)成為世界核電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)中心奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。項(xiàng)目實(shí)施后，SA508-3大鍛件市場(chǎng)占有率從零躍升至90%，316LN主管道和F6NM環(huán)鍛件市場(chǎng)占有率從無(wú)增長(zhǎng)到100%，690U管市場(chǎng)占有率從零提升到45%，產(chǎn)品占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，深刻改變了國(guó)際市場(chǎng)格局，主導(dǎo)了核島主設(shè)備材料市場(chǎng)定價(jià)權(quán)，使我國(guó)核島主設(shè)備采購(gòu)價(jià)降低60%，核電工程單位造價(jià)降低30%，同期迫使國(guó)外每臺(tái)百萬(wàn)千瓦機(jī)組核島設(shè)備材料采購(gòu)價(jià)降低5.08億元，一舉打破國(guó)外技術(shù)壟斷，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益，有力推動(dòng)了我國(guó)自主核電技術(shù)的國(guó)際化進(jìn)程。

3、基于界面調(diào)控的新型超高強(qiáng)度鋼

超高強(qiáng)鋼主要指馬氏體時(shí)效鋼，傳統(tǒng)馬氏體鋼是在超低碳的位錯(cuò)馬氏體基體上通過(guò)析出大量的納米級(jí)金屬間化合物（Ni3Mo、Ni3Ti、Fe2Mo）強(qiáng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)超過(guò)2GPa的超高強(qiáng)度和綜合服役性能。為了促進(jìn)主強(qiáng)化相Ni3Mo的析出，需要添加5-12%的Co、Mo等昂貴合金元素，同時(shí)還需添加Ti來(lái)形成富Ti金屬間化合物協(xié)同提高強(qiáng)化效果，在航空航天、高端裝備制造、新能源、深海技術(shù)以及先進(jìn)交通運(yùn)輸?shù)葒?guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全重大關(guān)鍵領(lǐng)域有著急迫的需求，發(fā)展我國(guó)的超高強(qiáng)韌鋼對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

傳統(tǒng)超強(qiáng)鋼基于半共格析出產(chǎn)生強(qiáng)共格畸變的強(qiáng)化機(jī)制，存在著應(yīng)力集中、析出相密度有限及分布不均勻的固有缺陷，既降低塑、韌性又嚴(yán)重影響服役安全性。此外，為促進(jìn)析出，添加高含量合金元素又使成本大大提高，因而限制了實(shí)際應(yīng)用。

北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心的呂昭平教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出了最小化錯(cuò)配度設(shè)計(jì)共格強(qiáng)有序析出的巧妙強(qiáng)化思路，采用輕質(zhì)便宜的Al元素替代馬氏體時(shí)效鋼中昂貴的Co元素，并通過(guò)調(diào)控兩相點(diǎn)陣錯(cuò)配度來(lái)促進(jìn)高密度、全共格納米相析出，研發(fā)出基于共格納米析出強(qiáng)化的新一代超高強(qiáng)鋼，該析出相在產(chǎn)生極低共格畸變的同時(shí)又具有高的有序抗力，這在不犧牲延展性的基礎(chǔ)上極大增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度。

呂昭平

呂昭平，教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，北京科技大學(xué)新金屬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)理事，國(guó)務(wù)院特殊津貼獲得者。長(zhǎng)期從事在先進(jìn)金屬材料（高性能鋼鐵材料、高熵合金及非晶合金）中應(yīng)用第二相強(qiáng)化機(jī)制，通過(guò)調(diào)控第二相與基體組織的界面特性和性能匹配，可以有效調(diào)控第二相的尺寸、體積比及形貌等特征，從而改善綜合力學(xué)性能。在《Science》、《Physical Review Letters》、《Advanced Materials》等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文150余篇，總引用4900余次，獲得中國(guó)發(fā)明專利17項(xiàng)。獲批美國(guó)發(fā)明專利2項(xiàng)，成功轉(zhuǎn)化1項(xiàng)。

他們基于析出相與基體的低能界面的合金設(shè)計(jì)理念，選擇與基體完全共格的Ni（Al, Fe）相作為析出強(qiáng)化相的合金成分，制備出一種新型的馬氏體時(shí)效鋼，力學(xué)性能和微觀組織如圖3、4所示，其強(qiáng)化主要是基于最低錯(cuò)配度下獲得最大彌散析出和高剪切力的創(chuàng)新思維：

通過(guò)“點(diǎn)陣錯(cuò)配度最小化”，大大降低金屬間化合物析出顆粒的形核勢(shì)壘，促進(jìn)更小尺度（2—5nm）微顆粒均勻彌散分布，并顯著提高強(qiáng)化顆粒的體積密度和熱穩(wěn)定性，同時(shí)低錯(cuò)配度的共格界面結(jié)合小尺度顆粒有效緩解增強(qiáng)相周邊微觀彈性畸變，改善材料宏觀均勻塑性變形能力；

引入“有序效應(yīng)”作為主要強(qiáng)化機(jī)制，有效阻礙位錯(cuò)對(duì)增強(qiáng)相顆粒的切過(guò)作用，最終獲得綜合性能優(yōu)異的新型馬氏體時(shí)效鋼。

另外，新型馬氏體時(shí)效鋼采用Al 元素代替?zhèn)鹘y(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼中昂貴的合金元素，還可添加傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼所避免的C元素來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化目標(biāo)。新一代超高強(qiáng)鋼的合金設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)了高端鋼鐵材料的制備工藝簡(jiǎn)化和低成本的目標(biāo)，不但拓展該類材料的實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)為其他合金體的強(qiáng)韌化提供了新的研究思路，也引起國(guó)際材料學(xué)者的極大關(guān)注。

圖3 力學(xué)性能

圖4 微觀組織

在傳統(tǒng)金屬及合金中，添加間隙原子雖然可以顯著提高合金的強(qiáng)度，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)塑性和韌性的大幅度降低，這是由于間隙原子易于偏聚于晶界、裂紋尖端、位錯(cuò)及其它內(nèi)部應(yīng)力源，并導(dǎo)致該區(qū)域基體的顯著畸變及應(yīng)力集中，促使局部原子鍵合的破壞和高度集中的局部塑性變形，最終還會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的脆性斷裂。

呂昭平教授打破了人們對(duì)傳統(tǒng)間隙固溶強(qiáng)化的認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)間隙原子的添加不僅能提高合金的強(qiáng)度，也能大幅度提高合金的塑性，并提出了一種設(shè)計(jì)高強(qiáng)度高塑性金屬材料的新的合金設(shè)計(jì)思路。他們以等原子比TiZrHfNb高熵合金為模型合金，添加適量的氧，發(fā)現(xiàn)間隙原子在合金中存在另外一種尚未被人們所發(fā)現(xiàn)的新的存在狀態(tài)，并將其命名為有序間隙原子復(fù)合體（ordered interstitial complexes），這是一種介于常規(guī)隨機(jī)間隙原子和陶瓷相之間的新的間隙原子存在狀態(tài)。這一有序間隙原子復(fù)合體結(jié)構(gòu)能夠顯著提高合金的強(qiáng)度和塑性，打破了金屬材料強(qiáng)度和塑性不可兼得的魔咒，為科研工作者重新認(rèn)識(shí)間隙強(qiáng)化和有序強(qiáng)化并設(shè)計(jì)出高強(qiáng)度高韌性金屬材料提供了新思路。

有序間隙原子復(fù)合體應(yīng)變硬化機(jī)制并未涉及到合金的相變或?qū)\晶變形，是一種全新的合金強(qiáng)韌化手段。該強(qiáng)韌化手段為難以通過(guò)調(diào)節(jié)層錯(cuò)能或調(diào)控相變實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化的合金體系提供了一種同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的新途徑。雖然所涉及研究的合金體系為高熵合金，但這一異常間隙強(qiáng)韌化效應(yīng)具有普適性，能夠廣泛的應(yīng)用于設(shè)計(jì)各種高強(qiáng)度高塑性金屬材料。

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