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(diǎn)，而氫能源的儲(chǔ)量豐富、綠色環(huán)保、熱值理想、利用率高等特點(diǎn)使其在全世界得到了廣泛推廣。目前，國內(nèi)對(duì)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(dá)峰、碳中和的新時(shí)代背景下，氫能是實(shí)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(huì)、市場(chǎng)需求和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要，開發(fā)高強(qiáng)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(qiáng)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(chǔ)運(yùn)、服役過程中，高強(qiáng)鋼的氫脆始終是制約其發(fā)展應(yīng)用的重要瓶頸。并且，高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度越高，氫脆敏感性也越大，危害也越嚴(yán)重。目前氫脆以及氫損傷的科學(xué)機(jī)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(kuò)散氫。然而，在高強(qiáng)鋼服役過程中還會(huì)有氫進(jìn)入，最終導(dǎo)致嚴(yán)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(duì)于重大裝備用高強(qiáng)鋼尤其重要。如何從鋼鐵材料的設(shè)計(jì)與制備這一根本問題上解決高強(qiáng)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(xué)意義和工程價(jià)值。發(fā)展新方法、新理念，探索開發(fā)既能提高強(qiáng)度、又能提升抗氫脆性能的高強(qiáng)鋼，對(duì)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(duì)發(fā)展和完善抗氫脆研究具有重要的理論價(jià)值。

北京科技大學(xué)龐曉露教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)高強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)設(shè)計(jì)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(jí)觀察、第一性原理計(jì)算模擬及氫脫附實(shí)驗(yàn)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(cuò)是NbC深氫陷阱的根源，并通過NbC納米析出相深氫陷阱的設(shè)計(jì)抑制了高強(qiáng)鋼的氫脆。結(jié)合設(shè)計(jì)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(fù)合納米相強(qiáng)化鋼，為開發(fā)高強(qiáng)韌抗氫脆鋼提供有效、可行的科學(xué)理念和技術(shù)路線。本項(xiàng)目所開發(fā)的高強(qiáng)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(shí)也創(chuàng)造了顯著的社會(huì)效益。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

本項(xiàng)目立足于深氫陷阱捕獲氫的科學(xué)基礎(chǔ)，針對(duì)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(jìn)入材料內(nèi)部的大量的氫會(huì)引起高強(qiáng)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(shè)計(jì)理念。本項(xiàng)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(qiáng)韌鋼中納米相與氫的原子層次的交互作用機(jī)制，設(shè)計(jì)、制備不可逆晶內(nèi)深氫陷阱，有效地抑制了高強(qiáng)鋼的氫脆。接下來，通過多元微量合金設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)在熔體中精準(zhǔn)設(shè)計(jì)微量元素體系及含量控制納米相的數(shù)目和尺寸。進(jìn)一步地，通過一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)納米相的均勻、彌散析出，構(gòu)造納米級(jí)深氫陷阱，提升抗氫脆性能。

圖1本項(xiàng)目主要方案路線圖

本項(xiàng)目結(jié)合高強(qiáng)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(jī)制、多點(diǎn)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(shí)現(xiàn)納米相增韌增韌高強(qiáng)鋼、提升服役壽命的技術(shù)創(chuàng)新。項(xiàng)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(chǔ)研究及高強(qiáng)韌鋼中納米相的形成機(jī)制與控制理論，并在高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)鋼中的第二相納米化并均勻彌散分布在基體中，從機(jī)理上解決高強(qiáng)韌鋼氫致開裂的科學(xué)問題，可大幅提高材料的抗氫脆性能及其強(qiáng)韌性，并成功用于火車車輪鋼、高強(qiáng)彈簧鋼、海洋裝備用抗氫脆高強(qiáng)高韌鋼的批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

針對(duì)先進(jìn)軌道交通裝備和海洋裝備用鋼需滿足高強(qiáng)韌、抗氫脆的重大需求，本項(xiàng)目突破了多元微量元素耦合合金設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)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(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品開發(fā)三個(gè)維度解決高強(qiáng)韌鋼抗氫脆的重大難題，開發(fā)出重大裝備用高強(qiáng)韌抗氫脆鋼。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

1、揭示了高強(qiáng)韌鋼中納米相與氫的原子層次的交互作用機(jī)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(chǔ)

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(cuò)，從機(jī)理上解決了高強(qiáng)韌鋼氫致開裂的科學(xué)難題，為提升高強(qiáng)韌鋼的抗氫脆性能提供了理論依據(jù)和工程實(shí)踐方法；如圖2所示，通過設(shè)計(jì)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(qiáng)韌鋼的抗氫脆性能。

圖2高強(qiáng)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(shè)計(jì)、多點(diǎn)微量供給技術(shù)、穩(wěn)定精準(zhǔn)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(shí)間對(duì)顆粒尺寸的影響規(guī)律，在工程上實(shí)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(xué)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(jī)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(shí)間對(duì)顆粒尺寸的影響規(guī)律，發(fā)明了鋼中納米相形成精準(zhǔn)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(shí)間，在大圓棒、中厚板等特殊鋼中實(shí)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(jí)碳氮化物深氫陷阱；科學(xué)設(shè)計(jì)多元微量元素合金體系，控制熔體的流場(chǎng)、濃度場(chǎng)及力場(chǎng)，使整個(gè)工藝過程一直保持大量彌散分布的納米相，在工程上實(shí)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(xué)分析鋼中納米析出相的固溶-析出機(jī)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(duì)流強(qiáng)度的控制，實(shí)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(xiàng)目開發(fā)了抗氫脆高強(qiáng)高韌鋼，通過微量元素設(shè)計(jì)、等協(xié)同控制納米顆粒數(shù)量與組織、性能，在高強(qiáng)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(qiáng)韌鋼。如本項(xiàng)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(diǎn)臨界氫濃度由~2.5ppm提升到~4.9ppm，服役壽命大幅提升。本項(xiàng)目為企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品和產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級(jí)奠定了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，形成了相應(yīng)的國家、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了批量穩(wěn)定生產(chǎn)，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，滿足了重大裝備對(duì)高強(qiáng)韌抗氫脆金屬材料的重大需求。

四、應(yīng)用情況與效果

如圖4所示，本項(xiàng)目開發(fā)了高強(qiáng)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(yīng)用，在創(chuàng)造巨大企業(yè)效益的同時(shí)也創(chuàng)造了顯著的社會(huì)效益。對(duì)國內(nèi)高強(qiáng)韌抗氫脆鋼行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步起到示范引領(lǐng)作用。多項(xiàng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首發(fā)及工程化、批量穩(wěn)定化應(yīng)用，成功打破國外技術(shù)壟斷，產(chǎn)品成功替代進(jìn)口，填補(bǔ)國內(nèi)空白，顯著提升我國高強(qiáng)韌抗氫脆金屬材料的國產(chǎn)化率，產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，極大的解決了我國先進(jìn)軌道交通裝備和高端海洋裝備用鋼只能依賴進(jìn)口的“卡脖子”局面，對(duì)于提升我國先進(jìn)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(jìn)步，實(shí)現(xiàn)交通與海洋強(qiáng)國、發(fā)展藍(lán)海經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。

圖4本項(xiàng)目開發(fā)的車輪鋼、彈簧鋼以及海洋裝備用鋼