一、研究背景與問(wèn)題

超高強度鋼是應用最為廣泛的超高強度金屬材料，在航空航天、交通運輸、先進(jìn)制造、未來(lái)核能以及國防裝備等國民經(jīng)濟重要領(lǐng)域發(fā)揮支撐作用。近年來(lái)，工業(yè)社會(huì )的快速發(fā)展以及雙碳戰略的提出不僅對超高強度鋼的強韌性提出了更高要求，構件服役溫度的提升以及多場(chǎng)服役環(huán)境需求（如模具、核電CRDM部件、軸齒等）對其耐溫耐蝕、耐輻照、耐磨、導熱等性能也提出了新要求。

典型超高強度鋼的強化主要依賴(lài)于高熱穩定性?shī)W氏體冷卻過(guò)程中的馬氏體相變以及后續時(shí)效過(guò)程中產(chǎn)生的納米析出。這些析出通常在形核時(shí)與基體共格從而獲得高密度；在峰時(shí)效狀態(tài)下尺寸的增大協(xié)同相對大的錯配度獲得高的強化效果。然而，研究表明，通過(guò)繼續增加半共格第二相體積分數提高強度時(shí)超高強度鋼不僅面臨著(zhù)更高強度下強韌矛盾愈發(fā)顯著(zhù)的難題，在嚴苛服役條件下（如高劑量輻照、高溫），納米析出還易在?“毛細作用”驅動(dòng)下發(fā)生以長(cháng)程擴散主導的粗化及回溶，造成室溫高溫機械性能和其他功能特性的退化。此外，目前工程用超高強度鋼的強化主要依賴(lài)于納米析出，而韌化多借助于高潔凈度冶煉、超細板條組織以及逆變奧氏體等組織；這種引入第二相的韌化策略通常也會(huì )造成高溫等其他性能的惡化和不足。因此，挖掘面向多場(chǎng)服役新的強化基元，發(fā)展新型微結構調控技術(shù)，探索新的強化機制成為金屬材料高性能化發(fā)展的重要方向。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

除晶粒細化外，幾乎多數強化手段均可能不同程度的降低材料的塑性斷裂韌性。典型超高強度馬氏體鋼所采用的半共格析出強化，可以顯著(zhù)提升強度。但是這類(lèi)合金在單軸拉伸過(guò)程中通常都幾乎沒(méi)有均勻延伸率，在平面斷裂過(guò)程中裂尖的鈍化主要以頻繁的二次開(kāi)裂和局限于裂尖最近鄰晶?；蛘邅喚У膭×宜苄宰冃?。這表明高密度不可剪切的納米析出不僅過(guò)早引起開(kāi)裂而且嚴重破壞了跨晶粒尺度的宏觀(guān)塑性變形，從而限制了裂尖鈍化能力；尤其是在更高強度水平下，這種現象愈發(fā)嚴重。

界面能是納米析出相自由能的關(guān)鍵組成部分，相比于半共格類(lèi)型析出相，一方面，共格析出界面能顯著(zhù)降低，這極大降低了析出形核勢壘，易于獲得極高密度且易于工業(yè)化控制的均勻析出組織，其強化主要源于位錯切過(guò)析出時(shí)產(chǎn)生的高能錯配面（即反相疇界能），低的彈性畸變亦可產(chǎn)生高的強化效果。另一方面，共格析出界面結合良好又可與基體協(xié)同變形，因此，可能在避免三軸應力下過(guò)早界面開(kāi)裂的同時(shí)大幅度提升超高強度鋼跨晶粒尺度的均勻變形能力來(lái)提高材料斷裂韌性。此外，共格析出熱穩定性顯著(zhù)高于其他類(lèi)型納米析出，可能能夠滿(mǎn)足超高強材料高溫等多場(chǎng)服役環(huán)境。

但是，共格析出在被位錯切過(guò)后會(huì )造成局部位錯抗力的下降從而誘發(fā)顯著(zhù)的局域塑性變形，即平面滑移帶。這種變形模式被認為會(huì )顯著(zhù)降低材料的塑性，同時(shí)使得合金在任何溫度下均易于發(fā)生脆性的解離斷裂?；谝陨险J識，北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室呂昭平教授團隊提出最小化錯配度調控“共格強有序析出強韌化”新思路，在優(yōu)化可剪切納米析出組織的同時(shí)，利用共格析出快速析出動(dòng)力學(xué)和高熱穩定性，進(jìn)一步滯留或促進(jìn)時(shí)效過(guò)程中其他類(lèi)型小尺寸缺陷的滯留或者形成，通過(guò)多種微結構的協(xié)同抑制局域損傷的過(guò)早產(chǎn)生；在此基礎上，進(jìn)一步通過(guò)多尺度組織分析技術(shù)揭示造成共格析出易于誘發(fā)解理斷裂的根源，進(jìn)而從納米析出組織角度實(shí)現對材料強韌性、以及耐輻照等其他機械物理性能的提升，以期在性能極限化的同時(shí)實(shí)現結構功能一體化。

基于以上思路，北京科技大學(xué)呂昭平教授團隊研發(fā)出Fe-Ni-Al基馬氏體超高強度鋼和超高強度不銹鋼，采用雙真空冶煉和高溫鍛造制備了噸級材料，新材料具備以下性能特征：

1、?在較寬的熱處理窗口下其屈服強度近2GPa時(shí)斷裂韌性可超過(guò)80 MPam^1/2, 延伸率>8%，且在工程用超高強度鋼中首次獲得相對高的均勻延伸率(4-7%)。

2、?采用共格析出與伴生析出協(xié)同強化策略，通過(guò)熱鍛結合時(shí)效處理工藝，開(kāi)發(fā)出3GPa超高強度鋼，延伸率超過(guò)7%，突破了塊體材料性能極限。

3、?發(fā)現了Al-Cr元素在耐蝕和耐氧化方面的協(xié)同作用，研發(fā)的超高強度鋼相比于傳統鉻基不銹鋼耐蝕和耐氧化性能進(jìn)一步提升；

4、?發(fā)現了源自高密度共格析出的全新輻照缺陷動(dòng)態(tài)湮滅機制，獲得了遠優(yōu)于目前耐輻照結構材料的抗輻照損傷性能，即在400-600℃溫度范圍內在高達2000dpa重離子輻照后無(wú)任何空洞腫脹形成且無(wú)明顯組織和力學(xué)性能的退化。

5、?在室溫至500℃溫度區間，發(fā)現基于共格析出耦合其他缺陷強韌化的超高強度鋼在500℃以?xún)葞缀醪浑S溫度下降而衰減的高硬度，使其具有遠優(yōu)于其他結構材料的高溫耐磨性能，初步實(shí)現了超高強度鋼的低成本高性能化和多功能一體化發(fā)展。

三、主要創(chuàng )新性成果

針對先進(jìn)金屬材料面臨的性能極限化和多功能一體化難題，北京科技大學(xué)呂昭平團隊圍繞多尺度組織調控、多外場(chǎng)組織響應行為和強韌化機理開(kāi)展了基礎理論研究，取得了多個(gè)創(chuàng )新性成果。代表性進(jìn)展如下：

1、提出超高強度鋼的低錯配強有序納米析出設計新思路，研發(fā)共格納米析出強化超高強度鋼，通過(guò)簡(jiǎn)化工藝和相對低的成本獲得良好的強塑性匹配。

傳統超高強度鋼主要通過(guò)半共格析出相產(chǎn)生的大彈性應變場(chǎng)阻礙位錯切過(guò)獲得超高強度，但是半共格析出相形核勢壘較高使其易在缺陷處優(yōu)先形核，導致析出相在基體內分布不均勻，且高密度不可協(xié)同基體變形顆粒易過(guò)早誘發(fā)微孔和微裂紋萌生，限制了超高強度鋼性能的進(jìn)一步優(yōu)化。

針對這一問(wèn)題，研究團隊提出低錯配強有序納米析出強化設計思路，通過(guò)低錯配度高元素過(guò)飽和度的合金設計，在最小化傳統強化所必需的彈性畸變的基礎上，低的形核勢壘大幅提升了析出相的密度而不損失其均勻性。同時(shí)，高過(guò)飽和度設計實(shí)現了實(shí)際析出B2-NiAl相內高的Ni和Al元素含量，進(jìn)一步提升了其反相疇節能。其強化主要源自高密度析出被切過(guò)時(shí)高能錯排界面的形成。因此，在產(chǎn)生顯著(zhù)強化的同時(shí)又不損失變形的連續性，可在強化的同時(shí)不明顯降低其塑性。

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圖1. （a）共格NiAl析出強化系列超高強度鋼拉伸曲線(xiàn)及NiAl析出的3D-APT重構圖，（b）共格NiAl析出相高分辨及晶格結構示意圖，（c）時(shí)效前后同步輻射衍射圖譜，（d）基體和NiAl的晶格常數及錯配度

鑒于此，研究團隊設計了主要成分為Fe-18Ni-3Al-4.5Mo的系列新型馬氏體時(shí)效鋼，通過(guò)簡(jiǎn)單的固溶時(shí)效處理，其抗拉強度達到2-2.2 GPa，屈服強度為1.8-2 GPa，同時(shí)能保持8%-13%的延伸率（如圖1a）。相比于典型馬氏體超高強度鋼，獲得了相對高的均勻延伸率（4%-7%）；經(jīng)過(guò)同步輻射測定，形核時(shí)析出錯配度降低至0.03%，近乎為0的錯配度大幅降低了析出形核勢壘，有益于強有序第二相在位錯馬氏體基體上的超高密度（超過(guò)1024/m3）和細小尺寸（2.7 nm）析出。在合金成分上，新型鋼利用廉價(jià)且輕質(zhì)的Al代替傳統馬氏體時(shí)效鋼必須的高含量Co、Ti等昂貴元素進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本和性能對微量元素（如C、N）的敏感性。相關(guān)研究結果以“Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation”為題發(fā)表在Nature期刊（2017,544:460-465），并入選“2017年中國科技十大進(jìn)展”。

2、揭示基于高密度共格有序析出和高密度位錯耦合組織的新型應變硬化機制，有效抑制共格析出被切過(guò)時(shí)平面應變集中的發(fā)生并獲得了良好的加工硬化能力

近年來(lái)，共格有序析出不僅被廣泛應用于鋼鐵、鋁合金等傳統材料的高性能化研究，而且成為中熵、高熵合金等新材料的重要強化手段。但是，由于其強化主要來(lái)自被切過(guò)時(shí)產(chǎn)生的高能反相疇界，當位錯切過(guò)共格納米析出相后，其抵抗后續剪切的有效面積減少使得局部變形抗力的下降，進(jìn)而造成持續的局部剪切和應變集中。當原有析出相提供的變形抗力完全由位錯塞積所替代時(shí)才激發(fā)下一個(gè)滑移帶的激活。這種被稱(chēng)為平面滑移的變形模式一般被認為會(huì )嚴重惡化合金的應變硬化能力、塑性以及斷裂韌性。然而，研究團隊設計的通過(guò)共格有序粒子增強的新型超高強度鋼即使在2GPa超高流變應力下仍表現出持續應變硬化和較高均勻塑性的特征（如圖2a），且加工硬化能力隨共格有序析出相數密度的增加而提升，與傳統共格析出強化的傳統認識有所差異。

項目通過(guò)多種原位和非原位手段結合，揭示了馬氏體鋼中基于共格析出的新型應變硬化機制。通過(guò)原位加熱同步輻射表征，發(fā)現共格B2的形核析出速率極快（形核時(shí)間<12 s，如圖2b），在500℃-3min短時(shí)時(shí)效后析出量可達40%，快速析出的高密度NiAl析出有效抑制了馬氏體中高密度隨機分布位錯，位錯密度與其他時(shí)效態(tài)馬氏體時(shí)效鋼相比提升超50%。更為重要的是，這些位錯及即使釘扎下保持了其開(kāi)始時(shí)的隨機分布和可動(dòng)性。但是，單純的高密度可動(dòng)位錯難以支撐其具有良好的塑性變形能力，在固溶態(tài)乃至較低含量共格析出強化合金中均為出現明顯均勻塑性。當馬氏體中高密度共格析出主導材料強度時(shí)，位錯將以平面滑移的方式運動(dòng)。在有序析出約束下啟動(dòng)的位錯將頻繁與高密度滯留位錯翻身交割和剪切，形成不可動(dòng)位錯等及時(shí)增加了后續位錯滑移的抗力，進(jìn)而及時(shí)彌補了析出被切過(guò)時(shí)變形抗力的下降從而抑制了常見(jiàn)的平面滑移應變集中。雖然變形特征仍為超細的平面滑移帶，但是變形主要通過(guò)激發(fā)超高密度的平面滑移帶為主，應變硬化分析表明，單個(gè)滑移帶的同號位錯累積甚至低于較低層錯能單相奧氏體鋼的平面滑移帶（如圖2c、d）。而且，在滑移帶內并無(wú)納米析出的回溶。這些結果均表明常見(jiàn)的平面滑移應變集中被協(xié)同組織有效抑制，而且協(xié)同組織通過(guò)激發(fā)大量可動(dòng)位錯滑移使新型鋼在高應力水平下實(shí)現可持續加工硬化及突出的延展性。研究結果以“Strain hardening mediated by coherent nanoprecipitates in ultrahigh-strength steels”為題發(fā)表在A(yíng)cta materialia (2021,213:116984) 。

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圖2.（a）共格NiAl析出強化超高強度鋼與傳統C300超強鋼拉伸曲線(xiàn)對比，（b）共格NiAl析出的原位同步輻射衍射圖譜，（c）共格NiAl強化超強鋼與傳統TWIP鋼滑移帶間距對比，（d）共格NiAl強化超強鋼微觀(guān)變形機制

3、發(fā)現超高強度鋼中源自可變形全共格析出組織的新韌化機制，提出利用伴生錯配微結構增加位錯可動(dòng)性，依次通過(guò)裂尖大范圍塑性變形和三向二次開(kāi)裂實(shí)現大幅增韌。

共格NiAl析出強化超高強度鋼中強化相數密度超過(guò)10²⁴/m³，而且與位錯發(fā)生短程交互作用，使得位錯可動(dòng)性較低、平均自由程較短，易于誘發(fā)脆性解理斷裂。結合NiAl形核析出速率極快、向外排Mo且分布均勻等特點(diǎn)，研究團隊通過(guò)改變時(shí)效工藝，適當降低NiAl數密度、增大粒子間距，且在NiAl粒子周?chē)樯龀鼍哂蠰aves結構的富Mo團簇（如圖3a、b），其產(chǎn)生的彈性應變場(chǎng)能有效增加位錯激活長(cháng)度（如圖3c）并促進(jìn)位錯彎結，從而有效提高位錯可動(dòng)性。

共格NiAl和伴生富Mo團簇均可被位錯切過(guò)（如圖4d-e），兩種析出組織與基體協(xié)同變形保持了微觀(guān)組織及變形的連續性，避免了極易在傳統超高強度鋼中出現的微裂紋過(guò)早萌生，進(jìn)而促使裂尖在誘發(fā)新裂紋前能通過(guò)產(chǎn)生大范圍塑性變形和應變硬化實(shí)現鈍化（如圖4b-c）。其次，大量位錯平面滑移產(chǎn)生的同號位錯晶內積累導致裂尖前沿能夠通過(guò)高應力水平依次激發(fā)x-y和z-y平面產(chǎn)生二次晶間開(kāi)裂，實(shí)現裂紋的三維擴展，進(jìn)一步增大裂紋擴展阻力?？梢酝ㄟ^(guò)晶粒細化進(jìn)一步提高解理強度增大裂尖的應力水平，進(jìn)一步增大裂尖塑性變形程度和二次開(kāi)裂范圍（如圖4a）。通過(guò)依次發(fā)生的大范圍塑性變形和高應力下啟動(dòng)的二次開(kāi)裂，能將K_IC提高至90 MPa·m^1/2以上，同時(shí)屈服強度達到1.85 GPa，抗拉強度達到1.95 GPa，即使在粗晶狀態(tài)下（原奧晶粒尺寸>80 μm，σ_0.2>1.80 GPa）斷裂韌性可達70 MPa·m^1/2，為開(kāi)發(fā)無(wú)Co且易工業(yè)制備的高強韌合金提供了新思路。

另外，在時(shí)效前引入冷變形能夠提高晶界密度進(jìn)一步促進(jìn)高密度NiAl強化超高強度鋼的二次晶間開(kāi)裂增韌機制。一定溫度下的軋制變形將晶粒沿RD（軋向）拉長(cháng)，同時(shí)提高ND方向（壓下方向）晶界密度。斷裂過(guò)程中裂尖在產(chǎn)生大范圍塑性變形后位錯累積促使ND方向啟動(dòng)密集且更長(cháng)距離的晶界開(kāi)裂，通過(guò)大塑性變形耦合分層開(kāi)裂顯著(zhù)提升韌化效果（如圖5b）。隨冷軋壓下量的增大二次裂紋間距更加密集，韌化效果隨之增加。冷軋變形也增強了位錯強化效果，在斷裂韌性達到116 MPa·m^1/2(如圖5a)的同時(shí)，屈服強度和抗拉強度分別超過(guò)1.9和2.0 GPa。相比于傳統不可變形粒子強化的超高強度鋼，在高應力水平下（屈服強度大于1.8GPa）共格NiAl強化超高強度鋼強韌性匹配具有更加顯著(zhù)的優(yōu)勢，如圖5c所示。部分研究成果以“Ultrastrong metallic materials via minimal lattice misfit and strong ordering effect”為題發(fā)表在Science China Materials(2023,66:4182-4188)。

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圖3. （a）NiAl和富Mo團簇3D-APT重構及（b）高分辨圖，（c）不同析出狀態(tài)下的應變速率敏感系數

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圖4. （a）裂紋擴展路徑，（b-e）裂尖塑性區的變形組織

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圖5. （a）冷軋80%后時(shí)效的J積分曲線(xiàn)，（b）CT試樣斷口，（c）共格NiAl強化超強鋼與傳統超強鋼強韌性能對比

4、提出“通過(guò)多種可剪切納米析出相協(xié)同強化”，研制出高塑性3GPa塊體超高強度鋼，采用熱鍛和時(shí)效等工業(yè)化制備技術(shù)突破超高強度鋼性能極限

隨著(zhù)深空探測、航空航天等領(lǐng)域對金屬材料提出的更高要求，迫切需求研發(fā)出具有更高強度，同時(shí)具有良好強塑性匹配的超高強度鋼。傳統高Co-Mo合金結合冷變形工藝制備的超高強度鋼不僅強度仍不足3GPa，而且塑性極低。傳統極高強度的超高強度鋼通常采用半共格Fe₂Mo析出相和高密度位錯作為主要強化介質(zhì)。當這種不可剪切析出相密度過(guò)高，在高流變應力下，相對較弱的界面和高應力集中位置極易誘發(fā)微孔過(guò)早萌生聚合產(chǎn)生局部損傷，從而大幅損害了超高強度鋼的塑性。傳統強化機制使得強塑性相悖的矛盾在強度突破2 GPa后變得更為明顯，因此，采用新型強韌化機制研發(fā)2.4-3 GPa超高強度鋼成為性能極限化的重要方向。

本研究團隊在超高強度鋼的低錯配強有序納米析出設計理念的研究基礎之上調控其高溫變形工藝，成功研制出共格析出與可剪切的半共格團簇伴生結構耦合相變位錯強化、且無(wú)需冷加工的3 GPa級超高強馬氏體時(shí)效鋼。其塑性接近8%，突破了傳統結構材料的性能極限，同時(shí)其疲勞性能也遠超傳統材料，為發(fā)展極限性能合金和鋼鐵材料提供了新思路，有望將極限性能合金的應用范圍從磨具、絲材等拓寬到動(dòng)力軸等關(guān)鍵領(lǐng)域（如圖6所示）。2023年5月，部分研究成果以“Ultrastrong steel strengthened by multiple shearable nanostructures”為題發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology（2023, 161: 245-257）上。

圖6、(a)不同鋼種抗拉強度與延伸率的對應關(guān)系；(b)新研發(fā)的3 GPa級超高強鋼工程應力 ???應變曲線(xiàn)

5、發(fā)現一種源自超晶格共格納米析出的通過(guò)動(dòng)態(tài)持續無(wú)序-有序局域轉變大幅度提高合金抗輻照損傷性能的新型抗輻照損傷機制

高性能結構材料，特別是耐高溫輻照金屬材料，對于核能的發(fā)展和應用至關(guān)重要。反應堆運行中不可替換的結構材料在高溫高劑量輻照等極端環(huán)境中長(cháng)期服役，其性能退化甚至失效往往與輻照引起微觀(guān)結構演變密切相關(guān)，尤其是空洞等典型輻照缺陷的形成。長(cháng)期以來(lái)，設計高抗輻照材料的主流和傳統策略是在材料中引進(jìn)界面，例如，在材料中引入高密度納米粒子，這些粒子通過(guò)其界面區域（通常是氧化物納米粒子和鋼基體之間的錯配界面）湮滅輻照缺陷以提高材料抗輻照損傷能力?；谶@一策略，研究者近些年取得了很多重要的進(jìn)展。但是，高溫高劑量輻照導致的界面不穩定、輻照缺陷隨著(zhù)輻照劑量的進(jìn)一步增加而逐漸累積并最終導致材料的失效等，是迄今未突破的瓶頸問(wèn)題。

研究團隊發(fā)現馬氏體鋼中引入完全共格結構的高密度化學(xué)有序Ni(Al,Fe)金屬間納米析出相，在高溫（400-600 ℃）輻照下，因其極低的形核勢壘和極易發(fā)生的短程溶質(zhì)重排主導的動(dòng)力學(xué)行為，使之快速地進(jìn)行有序-無(wú)序-有序循環(huán)動(dòng)態(tài)轉變，這種局域相變在溶質(zhì)和點(diǎn)缺陷長(cháng)程擴散受到限制的同時(shí)，通過(guò)增強溶質(zhì)和缺陷的局域重組，持續高效消除輻照產(chǎn)生的缺陷并使高密度析出相動(dòng)態(tài)穩定，在超高劑量的離子輻照后無(wú)空洞腫脹，展現出超高抗輻照腫脹能力。此外，輻照過(guò)程中納米析出保持動(dòng)態(tài)穩定，材料的硬度等并未發(fā)生明顯的變化，表明其機械性能同樣具有高穩定性。該策略被證實(shí)在中熵合金和馬氏體鋼等材料中同樣有效，對于開(kāi)發(fā)工程應用的新型耐強耐輻照材料和深入了解輻照機制都極具意義。研究結果以“Superior radiation tolerance via reversible disordering–ordering transition of coherent superlattices”為題發(fā)表在Nature Materials（2023, 22: 442-449.）。

圖7 含有高密度Ni(Al,Fe)納米粒子的超晶格鋼在離子輻照條件下的超高耐輻照性能。a超晶格鋼中的空洞腫脹與典型的傳統奧氏體鋼、鐵素體-馬氏體(F-M)鋼和ODS鋼比較；b、c比較表明超晶格鋼具有很高的抗輻照腫脹性能。

6、發(fā)現Al、Cr協(xié)同效應，結合共格強韌化設計思路，開(kāi)發(fā)出新型共格NiAl析出強化超高強度不銹鋼，實(shí)現耐蝕、耐蠕變、耐磨等多性能一體化提升。

工業(yè)社會(huì )的快速發(fā)展以及雙碳戰略的提出對結構材料的綜合性能提出了更高要求，金屬材料的研究呈現結構功能一體化的趨勢。對于超高強度鋼，構件服役溫度的提升以及多場(chǎng)服役環(huán)境等極端條件（如核電CRDM部件、軸齒等）要求超高強度鋼在保證高溫高強韌的同時(shí)，也要具備優(yōu)異的抗氧化、耐腐蝕、耐輻照性能。針對現有材料綜合性能不足的問(wèn)題，研究團隊在Fe-Ni-Al系共格納米析出超高強度鋼的基礎上，提出Al、Cr協(xié)同效應，通過(guò)進(jìn)行合金化設計獲得了一種能夠自發(fā)形成連續、致密含Al氧化膜的新型超高強度不銹鋼。適量Cr起到“第三組元效應”，為耐復雜環(huán)境腐蝕含Al氧化膜的形成提供條件；適量Al發(fā)生選擇性氧化，且依然保持高密度納米共格析出，不但保證了室溫下優(yōu)異的強塑性，而且獲得了優(yōu)異的高溫抗蠕變性能。

首先，針對超高強度鋼（如A100、300M）耐腐蝕性差、傳統不銹鋼（如T91、316L）強韌性差的問(wèn)題，我們提出了Al、Cr協(xié)同效應調控氧化膜新思路，開(kāi)發(fā)了可自發(fā)形成致密富Al鈍化膜的新型超強不銹鋼，在保證力學(xué)性能的情況下大幅提升了在極端環(huán)境下的抗氧化、耐腐蝕能力。如圖8（a）所示，在450 ℃空氣+10%水蒸氣環(huán)境中，新型超強不銹鋼（UHSS）在冷熱循環(huán)的條件下緩慢增重，氧化1000小時(shí)后單位面積增重僅為0.1 mg/cm²。而T91在該環(huán)境下發(fā)生失穩，氧化膜脫落，氧化增重約為UHSS的5倍。在3.5 wt.%NaCl溶液中，通過(guò)電化學(xué)極化曲線(xiàn)得到新型超強不銹鋼的腐蝕電位為-0.320 V_sec、腐蝕電流為8.5í10^-7?A/cm²，優(yōu)于Custom 465等不銹鋼，說(shuō)明其具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。實(shí)際上，新型超強不銹鋼的抗氧化、耐腐蝕性能的提升來(lái)源于表面形成的含Al氧化膜。這種氧化膜具有較高的熱力學(xué)穩定性和較低的生長(cháng)速率，因此具有連續、致密、保護性強的特性，保護基體免遭極端復雜環(huán)境的侵蝕。新型超強不銹鋼中的Cr元素在服役過(guò)程中起到第三組元效應，降低了氧化膜-基體界面的氧分壓，為Al的選擇性氧化創(chuàng )造條件。而高密度B2-NiAl析出作為富Al鈍化膜形成的“蓄水池”，源源不斷的提供所需的Al元素，與Cr協(xié)同形成致密富Al氧化膜。

圖8 新型超強不銹鋼氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)、腐蝕電流電位及氧化膜形貌

此外，通過(guò)Al、Cr協(xié)同效應開(kāi)發(fā)的可自發(fā)形成富Al氧化膜的新型超強不銹鋼獲得了一系列優(yōu)異的室溫、高溫力學(xué)性能。如圖9（a）所示，UHSS在室溫下具有良好的強塑性匹配，抗拉強度為1931 MPa，延伸率為9.7 %，且在450 ℃下抗拉強度仍在1100 MPa以上。在450 ℃/400 MPa的蠕變測試中，新型超強不銹鋼的服役壽命高達5000小時(shí)以上（如圖9b）。值得一提的是，與高溫合金相比，新型超強不銹鋼的硬度隨溫度升高（室溫、200、480 ℃）幾乎不下降，保持在50 HRC以上（如圖9c）。與傳統Co基耐磨合金Stellite 6相比，新型超強不銹鋼室溫摩擦系數與其接近，但在高溫下明顯具有更優(yōu)異的耐磨性。以上優(yōu)異的力學(xué)性能主要來(lái)源于B2-NiAl析出相極佳的熱穩定性和共格析出反相疇界強化與其他缺陷的耦合強化機制。共格低能界面使其在450 ℃下粗化速率極低，保溫5000h后NiAl粒子平均半徑保持在5 nm左右。部分研究結果以“Synergetic Effects of Al and Cr on Enhancing Water Vapor Oxidation Resistance of Ultra-High Strength Steels for Nuclear Applications”發(fā)表在A(yíng)CTA METALLURGICA SINICA（2024, 60(3): 357-366）

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圖9 （a）新型超強不銹鋼室溫和高溫拉伸性能，（b）蠕變性能，（c）不同溫度下的硬度，（d）摩擦系數，（e）時(shí)效5000 h后的APT元素分布

四、應用情況與效果

新型共格NiAl析出強化系列超高強度鋼通過(guò)上述多重機制實(shí)現多性能一體化和性能極限化，在航空航天、核電、軍工等眾多領(lǐng)域具有廣泛應用前景。研究團隊已在大冶特鋼等特鋼企業(yè)順利完成Φ150 mm和Φ300 mm兩種2GPa級大型鍛件的工業(yè)試制，抗拉強度和屈服強度分別達到2.0 GPa、1.85 GPa，斷后延伸率超過(guò)8.0%，斷裂韌性達到70~90 MPam^1/2，具有良好的綜合力學(xué)性能。同時(shí)合金成分中不含昂貴Co元素且無(wú)需復雜熱處理工藝，相比于傳統工程用超高強度鋼具有顯著(zhù)的成本優(yōu)勢。對于3GPa級超強鋼也完成1噸級工業(yè)試制，強塑性分別可以達到2.97GPa、7.7%。研究論文被Nature Materials兩次專(zhuān)題評述，被認為超高強度鋼領(lǐng)域的重要進(jìn)展，激發(fā)人們重新審視傳統抗輻照策略，為領(lǐng)域基礎研究發(fā)展、新一代反應堆等先進(jìn)材料研發(fā)提供前進(jìn)的道路。研究團隊已與中廣核、中國商飛和國內航空航天院所等單位建立合作關(guān)系。研制的超高強度鋼已制備成鉤爪軸齒等關(guān)鍵部件，目前已用于工程試驗堆多外場(chǎng)服役性能評估，后續將持續推進(jìn)其在關(guān)鍵領(lǐng)域的應用研究和實(shí)際應用。

信息來(lái)源：北京科技大學(xué)