宮聲凱、劉正東、呂昭平:金屬結構材料在工程應用領域的國產化突破
2019-11-12 11:25:08 作者:胡凡 來源:材料人 分享至:

金屬結構材料作為航空航天、交通運輸、國防裝備等國民經濟重要領域的骨干材料,是國防安全和國民經濟的基礎材料,也是支撐我國制造業轉型升級和跨越發展的關鍵材料。近年來,我國面向國家重大需求和重大工程的先進金屬結構材料制備技術獲得了多項重大突破,先進金屬結構材料基礎研究水平和進展得到國際矚目和認可。


1、Ni3Al金屬間化合物基單晶高溫合金

目前幾乎所有的先進高性能航空發動機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化和析出強化作用來提高耐溫能力。

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世紀初期,通過添加Ru、Pt、Ir等元素,發展出TMS-138/162等為代表的第四、五代單晶高溫合金,但這些合金元素儲量稀缺、價格昂貴,因此制約了其推廣和應用。

針對第三代、第四代Ni基單晶高溫合金密度高、成本高、1150℃及以上高溫蠕變強度退化等問題,北京航空大學宮聲凱教授等人研發了一種低密度、低成本、高強度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℃。經過熱處理后,γ‘相分布均勻,體積分數為80%左右,具有較高的γ’相立方化程度和排列有序度。
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宮聲凱

宮聲凱,生于1956年7月,是我國高溫金屬結構材料的學術帶頭人之一,自1994年以來一直從事提升航空發動機核心熱端部件承溫能力的科學研究和工程應用,發明了高比強金屬間化合物基單晶合金,突破了抗高溫氧化防護、取向生長控制以及雙層壁單晶葉片制備等關鍵技術,支撐了我國新一代高性能航空發動機的研制。研究成果獲國家技術發明獎一等獎1項、二等獎1項、省部級科技獎勵5項。授權發明專利80余件,發表SCI論文270余篇。

圖1、2為CMSX-4和IC21單晶合金的力學性能和薄壁鑄件不同區域的微觀組織。可以看出,IC21 單晶合金在1100 ℃下抗拉強度為490 MPa,屈服強度為470 MPa,在1100 ℃、140 MPa條件下的持久壽命可達170.5 h,1150 ℃、100 MPa條件下的持久壽命可達110.0 h。IC21 單晶合金具有良好的高溫組織穩定性和較好的抗高溫氧化性,1080 ℃長期熱暴露后,沒有拓撲密堆相析出,在1100 和1150 ℃大氣中100 h 的氧化動力學曲線遵循拋物線規律,氧化增重速率分別為0.015 和0.045 mg/(cm2·h)。組織結構分析表明,該單晶合金的高溫強度主要來源于高的g‘相含量、高的合金錯配度和致密的界面位錯網結構。
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圖1 CMSX-4和IC21單晶合金的力學性能隨溫度的變化曲線

此外,宮聲凱等人研究發現高溫蠕變強度退化的機制是高溫服役時γ'/γ相界面強化效果降低和γ’相回溶,并對該合金鑄造工藝性、抗熱震性能、熱機疲勞性能的分析測試都取得了優異的表現。IC21已經在高性能航空發動機研制中獲得初步的應用,為我國航空發動機性能提升和發展做出了重要探索。
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圖2 復雜薄壁IC21單晶鑄件部分區域的微觀組織

2、中國核壓力容器大鍛件用鋼及其制造技術的發展與突破

核電是高效清潔能源,是優化我國電源結構和實現國家節能減排戰略目標的重要措施,也是繼高鐵之后國家“走出去”的戰略性名片。高安全、大功率、長壽期先進壓水堆是我國核電發展方向,壓力容器、蒸發器、主管道及蒸發器傳熱管等核島主設備材料技術是實現核島設備大型化、一體化、高性能化及支撐核電安全運行的關鍵和保障。2004 年前我國百萬千瓦核島設備材料全部依賴進口,2006 年我國引進世界最先進三代壓水堆核電技術,但核島關鍵材料技術外方不轉讓,長期依賴進口,成為制約我國實現核電自主化的“瓶頸”問題。

為此,鋼鐵研究總院劉正東教授帶領團隊,歷經十余年艱辛攻關,先后突破壓力容器 SA508-3cl.1鋼大鍛件(300-600t級鋼錠)低溫韌性提升和組織性能均勻性控制技術、蒸發器高強SA508-3cl.2鋼大鍛件消應力退火后強韌性匹配控制技術、整鍛316LN主管道大鍛件鍛造開裂和晶粒度控制技術、超長薄壁690直管高信噪比公差一致性控制技術等系列核心關鍵技術,首次形成了三代壓水堆核電站核島主設備用關鍵材料化學成分內控范圍、熱加工及熱處理等整套工藝方案,實現了核島主設備制造成套技術和裝備的集成,產品批量穩定生產并應用于我國紅沿河一號機組、防城港一號機組等三代核電工程,成功替代進口。項目獲授權專利51項,形成企業技術秘密72項,制修訂國家標準2項、國家能源行業標準11項,發表論文74篇、專著3部,自主知識產權成果產出豐碩。
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劉正東

劉正東,生于1966年,鋼鐵材料與冶金工程專家,長期從事超超臨界火電站、核電站和核動力工程用鋼及其工程應用研發,由他牽頭研發的“壓水堆核電站核島主設備材料技術研究與應用”項目獲得國家科技進步二等獎,并在成分優化匹配控制技術、低偏析MP澆注技術、一體化近凈成型鍛造技術、組織性能調控組合式熱處理技術等領域取得了一系列的研究進展和突破,使國產核島大鍛件國內市場占有率已達到90%,目前我國核電工程制造技術已躍居世界先進水平。

迄今為止,國際上最先進的商用核電技術為三代百萬千瓦壓水堆核電站,其首堆均在我國建設,我國已然成為世界壓水堆核電技術領先國家,正在成為世界核電強國。同時,國家核電中長期發展規劃明確提出“到2020年我國核電運行裝機容量調整為7000萬千瓦,在建3000萬千瓦”,據此,“十三五”期間我國每年需開建8-10臺百萬千瓦壓水堆核電機組,作為我國創新性國家建設標志之一的中國核電必將走出國門。

該項目成功填補了國內外核島主設備材料技術空白,創新技術處于國際領先水平,徹底實現了我國百萬千瓦壓水堆核島主設備材料技術自主化,顯著提升了國家高端裝備制造業核心能力,為我國成為世界核電技術和產業中心奠定了堅實基礎。項目實施后,SA508-3大鍛件市場占有率從零躍升至90%,316LN主管道和F6NM環鍛件市場占有率從無增長到100%,690U管市場占有率從零提升到45%,產品占領國內市場,深刻改變了國際市場格局,主導了核島主設備材料市場定價權,使我國核島主設備采購價降低60%,核電工程單位造價降低30%,同期迫使國外每臺百萬千瓦機組核島設備材料采購價降低5.08億元,一舉打破國外技術壟斷,創造了巨大的經濟、社會和環保效益,有力推動了我國自主核電技術的國際化進程。

3、基于界面調控的新型超高強度鋼

超高強鋼主要指馬氏體時效鋼,傳統馬氏體鋼是在超低碳的位錯馬氏體基體上通過析出大量的納米級金屬間化合物(Ni3Mo、Ni3Ti、Fe2Mo)強化來實現超過2GPa的超高強度和綜合服役性能。為了促進主強化相Ni3Mo的析出,需要添加5-12%的Co、Mo等昂貴合金元素,同時還需添加Ti來形成富Ti金屬間化合物協同提高強化效果,在航空航天、高端裝備制造、新能源、深海技術以及先進交通運輸等國民經濟和國家安全重大關鍵領域有著急迫的需求,發展我國的超高強韌鋼對國民經濟可持續發展有著重要意義。

傳統超強鋼基于半共格析出產生強共格畸變的強化機制,存在著應力集中、析出相密度有限及分布不均勻的固有缺陷,既降低塑、韌性又嚴重影響服役安全性。此外,為促進析出,添加高含量合金元素又使成本大大提高,因而限制了實際應用。

北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室,北京材料基因工程高精尖創新中心的呂昭平教授團隊創新性提出了最小化錯配度設計共格強有序析出的巧妙強化思路,采用輕質便宜的Al元素替代馬氏體時效鋼中昂貴的Co元素,并通過調控兩相點陣錯配度來促進高密度、全共格納米相析出,研發出基于共格納米析出強化的新一代超高強鋼,該析出相在產生極低共格畸變的同時又具有高的有序抗力,這在不犧牲延展性的基礎上極大增強了合金的強度。
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呂昭平

呂昭平,教育部長江學者特聘教授,北京科技大學新金屬國家重點實驗室主任,中國材料研究學會理事,國務院特殊津貼獲得者。長期從事在先進金屬材料(高性能鋼鐵材料、高熵合金及非晶合金)中應用第二相強化機制,通過調控第二相與基體組織的界面特性和性能匹配,可以有效調控第二相的尺寸、體積比及形貌等特征,從而改善綜合力學性能。在《Science》、《Physical Review Letters》、《Advanced Materials》等學術刊物上發表論文150余篇,總引用4900余次,獲得中國發明專利17項。獲批美國發明專利2項,成功轉化1項。

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

通過“點陣錯配度最小化”,大大降低金屬間化合物析出顆粒的形核勢壘,促進更小尺度(2—5nm)微顆粒均勻彌散分布,并顯著提高強化顆粒的體積密度和熱穩定性,同時低錯配度的共格界面結合小尺度顆粒有效緩解增強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”作為主要強化機制,有效阻礙位錯對增強相顆粒的切過作用,最終獲得綜合性能優異的新型馬氏體時效鋼。

另外,新型馬氏體時效鋼采用Al 元素代替傳統馬氏體時效鋼中昂貴的合金元素,還可添加傳統馬氏體時效鋼所避免的C元素來進一步實現強化目標。新一代超高強鋼的合金設計思想實現了高端鋼鐵材料的制備工藝簡化和低成本的目標,不但拓展該類材料的實際工程應用領域,同時為其他合金體的強韌化提供了新的研究思路,也引起國際材料學者的極大關注。
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圖3 力學性能
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圖4 微觀組織

在傳統金屬及合金中,添加間隙原子雖然可以顯著提高合金的強度,但同時也會帶來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、位錯及其它內部應力源,并導致該區域基體的顯著畸變及應力集中,促使局部原子鍵合的破壞和高度集中的局部塑性變形,最終還會導致災難性的脆性斷裂。

呂昭平教授打破了人們對傳統間隙固溶強化的認知,發現間隙原子的添加不僅能提高合金的強度,也能大幅度提高合金的塑性,并提出了一種設計高強度高塑性金屬材料的新的合金設計思路。他們以等原子比TiZrHfNb高熵合金為模型合金,添加適量的氧,發現間隙原子在合金中存在另外一種尚未被人們所發現的新的存在狀態,并將其命名為有序間隙原子復合體(ordered interstitial complexes),這是一種介于常規隨機間隙原子和陶瓷相之間的新的間隙原子存在狀態。這一有序間隙原子復合體結構能夠顯著提高合金的強度和塑性,打破了金屬材料強度和塑性不可兼得的魔咒,為科研工作者重新認識間隙強化和有序強化并設計出高強度高韌性金屬材料提供了新思路。

有序間隙原子復合體應變硬化機制并未涉及到合金的相變或孿晶變形,是一種全新的合金強韌化手段。該強韌化手段為難以通過調節層錯能或調控相變實現強韌化的合金體系提供了一種同時提高強度和塑性的新途徑。雖然所涉及研究的合金體系為高熵合金,但這一異常間隙強韌化效應具有普適性,能夠廣泛的應用于設計各種高強度高塑性金屬材料。

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