冶金科技奖系列报道 · 一等奖丨高强韧钢中纳米相深氢陷阱的基础研究与工程应用

  随着化石能源的日渐枯竭，寻找清洁可替代的能源成为全世界关注的焦点，而氢能源储量丰富、绿色环保、热值理想、利用率高等的特点使其在整个世界得到了广泛推广。在碳达峰、碳中和的新时代背景下，氢能是实现碳中和及可持续发展的重要战略方向。此外，为满足一直增长的社会、市场需求和相关产业的发展需要，开发高强韧抗氢脆钢并延长其服役寿命是国家的产业政策。但无论是在高强钢的冶炼、轧制、热处理、焊接以及电镀等生产制备过程中，还是在储运、服役过程中，高强钢的氢脆问题始终是制约其发展应用的重要瓶颈。高强钢的强度越高，氢脆敏感性也越大，危害也越严重。

  目前，氢脆及氢损伤的科学机制已比较明晰，可是工程除氢手段仍然局限于原材料把控、钢液真空脱气及堆垛缓冷等工艺，这样的工艺方法可某些特定的程度上去除可扩散氢。然而，在高强钢服役过程中还会有氢进入，最后导致严重的危害。因此，氢脆的本质问题始终没有正真获得彻底解决，特别是对于重大装备用高强钢尤其重要。如何从钢铁材料的设计与制备这一根本问题上解决高强钢的氢脆与氢损伤的瓶颈问题？构造深氢陷阱具有重大的科学意义和工程价值。发展新方法、新理念，探索开发既能提高强度又能提升抗氢脆性能的高强钢，对资源、能源的开发利用及国防安全具备极其重大的工程意义，对发展和完善抗氢脆研究具备极其重大的理论价值。

  针对高强钢面临的氢脆难题，该项目通过氢陷阱的表征、钢中组织观察与解析，系统地表征了高强钢中浅氢陷阱、深氢陷阱参数，得出为提升抗氢脆性能，应设计制备高密度的晶内深氢陷阱，将氢均匀弥散地分布在晶粒内。结合高分辨透射电镜原子级观察、第一性原理计算模拟及氢脱附实验等方法，全面、系统、深入地研究了纳米相半共格界面深氢陷阱的物理本质，揭示了半共格界面处的失配位错是深氢陷阱的根源，并通过纳米析出相深氢陷阱的设计抑制了高强钢的氢脆。结合设计多元微量合金成分及含量，该项目采用局域微量供给的方法获得具备优秀能力抗氢脆性能的多元纳米相强化钢，为开发高强韧抗氢脆钢提供有效、可行的科学理念和技术路线。该项目所开发的高强韧抗氢脆车轮钢、弹簧钢、海洋装备用钢系列新产品，品种多、规格全、表面上的质量好，创造了显著的经济效益与社会效益。

  该项目立足于深氢陷阱捕获氢的科学基础，针对钢厂除氢方法为原料控制、液态钢水真空脱气及堆垛缓冷等现状，聚焦于服役过程中进入材料内部的大量的氢会引起高强钢的氢脆这一核心问题，逐步形成了通过构筑大量高密度且弥散分布的晶内深氢陷阱提升抗氢脆性能的设计理念。

  该项目的主要方案和技术路线所示。其通过揭示高强韧钢中纳米相与氢的原子层次的交互作用机制，设计、制备不可逆晶内深氢陷阱，有效地抑制了高强钢的氢脆；在实际生产中，突破了多元微量元素耦合设计、精准工艺控制，实现了大量弥散分布的深氢陷阱可控制备；在产业化过程中经过控制多元微量合金的加入方式和钢液对流强度，实现了抗氢脆高强高韧钢的批量稳定生产。

  该项目结合高强钢中多元纳米第二相与氢的交互作用、多元微量元素耦合机制、多点区域微量供给、熔体中纳米相形成与控制等核心关键技术，实现纳米相增韧高强钢、延长服役寿命的技术创新。项目组首次完全自主创新地提出了纳米相深氢陷阱的基础研究及高强韧钢中纳米相的形成机制与控制理论，并在高强韧钢熔体、凝固等过程中形成纳米相。该技术改变了在高强钢生产中尽量去除大颗粒第二相。降低氢含量的传统思路，使高强钢中的第二相纳米化并均匀弥散分布在基体中，从机理上解决高强韧钢氢致开裂的科学问题，可大幅度提高材料的抗氢脆性能及其强韧性，并成功用于火车车轮钢、高强弹簧钢、海洋装备用抗氢脆高强韧钢的批量稳定生产。

  针对先进轨道交通和海洋装备用钢需满足高强韧、抗氢脆的重大需求，该项目突破了多元微量元素耦合合金设计、精准工艺控制、纳米相构筑和铁基体半共格界面等关键技术，从基础研究、关键技术、产品开发3个维度解决高强韧钢抗氢脆的重大难题，开发出重大装备用高强韧抗氢脆钢。主要创新点如下：

  一是揭示了高强韧钢中纳米相与氢原子交互作用机制，明晰了半共格界面失配位错作为深氢陷阱的物理本质。

  该项目揭示了纳米相作为深氢陷阱的物理本质是半共格界面的失配位错，从机理上解决了高强韧钢氢致开裂的科学难题，为提升高强韧钢的抗氢脆性能提供了理论依照和工程实践方法；通过设计多元微量合金成分及含量，构筑纳米相和铁基体半共格界面作为深氢陷阱，提升了高强韧钢的抗氢脆性能。

  二是突破了多元微量元素耦合合金设计、精准工艺控制技术，实现了大量弥散分布的深氢陷阱的可控制备。

  该项目基于多元微量元素耦合热力学分析，揭示了多元微量元素在不同温区的固熔—析出耦合机制；发现钢中氧化物纳米颗粒界面浓度、生长速度和生长时间对颗粒尺寸的影响规律，发明了钢中纳米相形成精准工艺控制技术；根据固熔—析出结果调整热处理工艺的温度与时间，在大圆棒、中厚板等特殊钢中实现纳米相均匀、弥散析出，在轧制、热处理过程中构造纳米级碳氮化物深氢陷阱；科学设计多元微量元素合金体系，控制熔体的流场、浓度场及力场，使整个工艺过程从始至终保持大量弥散分布的纳米相，在工程上实现了大量弥散分布的深氢陷阱的可控制备。

  三是在产业化生产的全部过程中经过控制多元微量合金的加入方式和钢液对流强度的控制，实现了抗氢脆高强高韧钢的批量稳定生产。

  基于上述理论与技术，该项目开发了抗氢脆高强韧钢，通过多元微量元素设计等协同控制纳米颗粒数量与组织、性能，在高强韧钢熔体、凝固及热处理过程中分温区形成大量弥散分布的纳米析出相，获得抗氢脆高强韧钢。该项目为企业开发新产品和产品转型升级奠定了理论和应用基础，有关企业主导和参与制定、修订国家标准、团体标准，实现了批量稳定生产与供货，创造了显著的经济和社会效益，满足了重大装备对高强韧抗氢脆金属材料的重大需求。

  如图2所示，该项目开发了高强韧抗氢脆车轮钢、弹簧钢、海洋装备用钢系列新产品，品种多、规格全、表面上的质量好，由于其优良的综合性能而得到普遍应用，同时创造了显著的经济和社会效益，对高强韧抗氢脆钢行业的技术进步起到示范引领作用。项目组开发的重载车轮钢解决了高强度车轮钢白点难题，实现了大批量出口（转出口）到北美、澳大利亚等重载货运高度发达地区，拓展了海外商品市场，支撑了我国铁路走出去重大战略的实施。该项目开发的弹簧钢杜绝了高强韧弹簧钢端部剪切裂纹现象的出现，解决了海运过程中氢促进腐蚀核心问题，减少了客户产品质量异议和索赔，拓展了弹簧钢海外商品市场；开发的海洋装备用钢解决了重点工程深海油田用高强韧钢氢脆难题，30CrNi2MoV等材料填补了国内空白，完全替代了进口产品，研究成果已实现规模化生产和应用。该项目开发的多种产品打破国外封锁，攻克“卡脖子”的短板问题，在国内外市场取得了话语权，实现了相关产业升级，促进我国冶金行业和制造业的进步，带动了我国轨道交通、海洋装备等领域制造技术发展，确保我国战略性优势产业链安全。

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