一、研究的背景與問題

隨著化石能源的日漸枯竭，尋找清潔可替代的能源成為全球關(guān)注的焦點，而氫能源的儲量豐富、綠色環(huán)保、熱值理想、利用率高等特點使其在全世界得到了廣泛推廣。目前，國內(nèi)對于氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也十分重視，并部署了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。在碳達峰、碳中和的新時代背景下，氫能是實現(xiàn)碳中和及可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向。此外，為滿足不斷增長的社會、市場需求和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要，開發(fā)高強韌抗氫脆鋼并提升其服役壽命是國家的產(chǎn)業(yè)政策。然而，無論在高強鋼的冶煉、軋制、熱處理、焊接以及電鍍等生產(chǎn)制備過程中，還是在儲運、服役過程中，高強鋼的氫脆始終是制約其發(fā)展應用的重要瓶頸。并且，高強鋼的強度越高，氫脆敏感性也越大，危害也越嚴重。目前氫脆以及氫損傷的科學機制已經(jīng)比較明晰，但工程除氫手段仍然局限于原材料把控、鋼液真空脫氣及堆垛緩冷等工藝，這樣的工藝方法可一定程度上去除可擴散氫。然而，在高強鋼服役過程中還會有氫進入，最終導致嚴重的危害，因此氫脆的本質(zhì)問題始終沒有得到徹底解決，特別是對于重大裝備用高強鋼尤其重要。如何從鋼鐵材料的設計與制備這一根本問題上解決高強鋼的氫脆與氫損傷的瓶頸問題，構(gòu)造深氫陷阱具有重大的科學意義和工程價值。發(fā)展新方法、新理念，探索開發(fā)既能提高強度、又能提升抗氫脆性能的高強鋼，對資源、能源的開發(fā)利用及國防安全具有重要的工程意義，對發(fā)展和完善抗氫脆研究具有重要的理論價值。

北京科技大學龐曉露教授團隊針對高強鋼面臨的氫脆難題，通過氫陷阱的表征、鋼中組織觀察與解析，系統(tǒng)地表征了高強鋼中淺氫陷阱、深氫陷阱參數(shù)，得出為了提升抗氫脆性能，應設計制備高密度的晶內(nèi)深氫陷阱，將氫均勻彌散地分布在晶粒內(nèi)。結(jié)合高分辨透射電鏡原子級觀察、第一性原理計算模擬及氫脫附實驗等方法，全面、系統(tǒng)、深入地研究了NbC/α-Fe半共格界面深氫陷阱的物理本質(zhì)，揭示了NbC/α-Fe半共格界面處的失配位錯是NbC深氫陷阱的根源，并通過NbC納米析出相深氫陷阱的設計抑制了高強鋼的氫脆。結(jié)合設計多元微量合金成分及含量，采用局域微量供給的方法獲得具有優(yōu)異抗氫脆性能的多元復合納米相強化鋼，為開發(fā)高強韌抗氫脆鋼提供有效、可行的科學理念和技術(shù)路線。本項目所開發(fā)的高強韌抗氫脆車輪鋼、彈簧鋼、海洋裝備用鋼系列產(chǎn)品，品種多、規(guī)格全、表面質(zhì)量好，由于其優(yōu)良的綜合性能，創(chuàng)造巨大企業(yè)效益的同時也創(chuàng)造了顯著的社會效益。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

本項目立足于深氫陷阱捕獲氫的科學基礎，針對鋼廠除氫方法為原料控制、液態(tài)鋼水真空脫氣及堆垛緩冷等現(xiàn)狀，聚焦于服役過程中進入材料內(nèi)部的大量的氫會引起高強鋼的氫脆這一關(guān)鍵問題，逐步形成了通過構(gòu)筑大量高密度且彌散分布的晶內(nèi)深氫陷阱提升抗氫脆性能的設計理念。本項目的主要方案和技術(shù)路線如下圖1所示。首先，通過揭示高強韌鋼中納米相與氫的原子層次的交互作用機制，設計、制備不可逆晶內(nèi)深氫陷阱，有效地抑制了高強鋼的氫脆。接下來，通過多元微量合金設計與精準控制技術(shù)的突破，提出鋼熔體中的濃度梯度控制理論來制備納米相，實現(xiàn)在熔體中精準設計微量元素體系及含量控制納米相的數(shù)目和尺寸。進一步地，通過一體化設計，實現(xiàn)納米相的均勻、彌散析出，構(gòu)造納米級深氫陷阱，提升抗氫脆性能。

圖1 本項目主要方案路線圖

本項目結(jié)合高強鋼中多元納米第二相與氫的交互作用、多元微量元素耦合機制、多點區(qū)域微量供給、熔體中納米相形成與控制等核心關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)納米相增韌增韌高強鋼、提升服役壽命的技術(shù)創(chuàng)新。項目組首次完全自主創(chuàng)新地提出了納米相深氫陷阱的基礎研究及高強韌鋼中納米相的形成機制與控制理論，并在高強韌鋼熔體、凝固等過程中形成納米相，該技術(shù)改變了在高強鋼生產(chǎn)中盡量去除大顆粒第二相、降低氫含量的傳統(tǒng)思路，使高強鋼中的第二相納米化并均勻彌散分布在基體中，從機理上解決高強韌鋼氫致開裂的科學問題，可大幅提高材料的抗氫脆性能及其強韌性，并成功用于火車車輪鋼、高強彈簧鋼、海洋裝備用抗氫脆高強高韌鋼的批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

三、主要創(chuàng)新性成果

針對先進軌道交通裝備和海洋裝備用鋼需滿足高強韌、抗氫脆的重大需求，本項目突破了多元微量元素耦合合金設計、精準工藝控制、納米相形成與構(gòu)筑納米相和鐵基體半共格界面等關(guān)鍵技術(shù)，從基礎研究、關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品開發(fā)三個維度解決高強韌鋼抗氫脆的重大難題，開發(fā)出重大裝備用高強韌抗氫脆鋼。主要創(chuàng)新點如下：

1、揭示了高強韌鋼中納米相與氫的原子層次的交互作用機制，為工程上構(gòu)造大量彌散分布的深氫陷阱提供了理論基礎

揭示了納米相作為深氫陷阱的物理本質(zhì)是半共格界面的失配位錯，從機理上解決了高強韌鋼氫致開裂的科學難題，為提升高強韌鋼的抗氫脆性能提供了理論依據(jù)和工程實踐方法；如圖2所示，通過設計多元微量合金成分及含量，構(gòu)筑納米相和鐵基體半共格界面作為深氫陷阱，提升了高強韌鋼的抗氫脆性能。

圖2 高強鋼中納米析出相深氫陷阱的研究

2、通過多元微量元素耦合設計、多點微量供給技術(shù)、穩(wěn)定精準熱處理技術(shù)，找到了鋼中納米顆粒界面濃度、生長速度和生長時間對顆粒尺寸的影響規(guī)律，在工程上實現(xiàn)了大量彌散分布的深氫陷阱的可控制備

如圖3所示，基于多元微量元素耦合熱力學分析，揭示了多元微量元素在不同溫區(qū)的固溶-析出耦合機制；發(fā)現(xiàn)鋼中氧化物納米顆粒界面濃度、生長速度和生長時間對顆粒尺寸的影響規(guī)律，發(fā)明了鋼中納米相形成精準工藝控制技術(shù)；根據(jù)固溶-析出結(jié)果調(diào)整熱處理工藝的溫度與時間，在大圓棒、中厚板等特殊鋼中實現(xiàn)納米相均勻、彌散析出，在軋制、熱處理過程中構(gòu)造納米級碳氮化物深氫陷阱；科學設計多元微量元素合金體系，控制熔體的流場、濃度場及力場，使整個工藝過程一直保持大量彌散分布的納米相，在工程上實現(xiàn)了大量彌散分布的深氫陷阱的可控制備。

圖3 多元微量元素耦合熱力學分析鋼中納米析出相的固溶-析出機制

3、在工業(yè)化生產(chǎn)過程中通過控制多元微量合金的加入方式以及鋼液對流強度的控制，實現(xiàn)了裝備用鋼中大量彌散分布的深氫陷阱制造

基于上述理論技術(shù)，本項目開發(fā)了抗氫脆高強高韌鋼，通過微量元素設計、等協(xié)同控制納米顆粒數(shù)量與組織、性能，在高強韌鋼熔體、凝固及熱處理過程中分溫區(qū)形成大量彌散分布的納米析出相，獲得抗氫脆高強韌鋼。如本項目開發(fā)的車輪鋼中含有大量彌散分布在晶粒內(nèi)的納米相，其產(chǎn)生白點臨界氫濃度由~2.5 ppm提升到~4.9 ppm，服役壽命大幅提升。本項目為企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品和產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級奠定了理論和應用基礎，形成了相應的國家、團體標準，實現(xiàn)了批量穩(wěn)定生產(chǎn)，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟和社會效益，滿足了重大裝備對高強韌抗氫脆金屬材料的重大需求。

四、應用情況與效果

如圖4所示，本項目開發(fā)了高強韌抗氫脆車輪鋼、彈簧鋼、海洋裝備用鋼系列產(chǎn)品，品種多、規(guī)格全、表面質(zhì)量好，由于其優(yōu)良的綜合性能而得到廣泛應用，在創(chuàng)造巨大企業(yè)效益的同時也創(chuàng)造了顯著的社會效益。對國內(nèi)高強韌抗氫脆鋼行業(yè)的技術(shù)進步起到示范引領作用。多項產(chǎn)品實現(xiàn)國內(nèi)首發(fā)及工程化、批量穩(wěn)定化應用，成功打破國外技術(shù)壟斷，產(chǎn)品成功替代進口，填補國內(nèi)空白，顯著提升我國高強韌抗氫脆金屬材料的國產(chǎn)化率，產(chǎn)品實物質(zhì)量及技術(shù)經(jīng)濟指標達到國際領先水平，極大的解決了我國先進軌道交通裝備和高端海洋裝備用鋼只能依賴進口的“卡脖子”局面，對于提升我國先進軌道交通裝備和海洋裝備這一新型戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步，實現(xiàn)交通與海洋強國、發(fā)展藍海經(jīng)濟戰(zhàn)略目標具有重要意義。

圖4 本項目開發(fā)的車輪鋼、彈簧鋼以及海洋裝備用鋼