國內(nèi)外超高強(qiáng)度鋼的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

牛艷娥，趙芃沛，李 寧，宋 娟

(1.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 榆林 719000；2.陜西空天動力研究院有限公司， 西安 710103)

1 引言

隨著航天、航空、航海、兵工、冶金、礦山、石油、電力等領(lǐng)域快速的發(fā)展，低成本、低能耗、超高強(qiáng)度、超高韌性、超高耐磨性及抗腐蝕性是對鋼鐵材料提出的新要求，國內(nèi)外都積極展開了超高強(qiáng)度鋼研究與開發(fā)。所謂超高強(qiáng)度鋼，是指在室溫下，抗拉強(qiáng)度值高于1 470 MPa、屈服強(qiáng)度值高于1 380 MPa的合金鋼[1，2]。目前超高強(qiáng)度鋼廣泛應(yīng)用在飛機(jī)起落架、高端軸承鋼、精密齒輪、艦艇、火箭發(fā)動機(jī)殼體等結(jié)構(gòu)件上[3-4]，是當(dāng)今高端制造的首選金屬材料。但因超高強(qiáng)度鋼的性能受化學(xué)成分、內(nèi)部組織、外部環(huán)境及載荷等影響較大，故如何保證超高強(qiáng)韌比等綜合性能[5]、低成本、綠色環(huán)保等是超高強(qiáng)度鋼未來主要研究及發(fā)展方向。

2 超高強(qiáng)度鋼的分類、發(fā)展及應(yīng)用

目前超高強(qiáng)度鋼的分類有2種，一種是按合金元素總含量分，另一種是按冶金特點分。若按合金元素總量可分為低、中和高三種超高強(qiáng)度鋼[6-7]，其中以5.0wt%～10.0wt%的合金總含量為界限，低于5.0wt%的為低合金超高強(qiáng)度鋼，高于10.0wt%的為高合金超高強(qiáng)度鋼，居中的為中合金超高強(qiáng)度鋼。若按冶金特點可分為低合金超高強(qiáng)度鋼、二次硬化超高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度馬氏體時效鋼[8，9]。下文按照第二種分類進(jìn)行闡述。

2.1 低合金超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展及應(yīng)用情況

低合金超高強(qiáng)度鋼是指合金元素含量小于5.0wt%的低溫回火馬氏體組織鋼，其高強(qiáng)度來自馬氏體基體中碳濃度。該類鋼是為了滿足航天工業(yè)對結(jié)構(gòu)鋼超高強(qiáng)度、超高韌性和輕量化的需求而開發(fā)。1950年，AISI 4340超高強(qiáng)度鋼首次被美國研發(fā)出[10]，主要應(yīng)用在飛機(jī)起落架上。該鋼添加了鉬、鎳、鉻、硅和釩等主要合金元素，通過淬火-低溫回火工藝后屈服強(qiáng)度值高于1 300 MPa。為了得到較高的強(qiáng)度、較好的塑性、韌性及焊接性，該類鋼的碳含量要控制在0.30wt%～0.50wt%。這是因為碳含量過低，鋼的塑性、韌性好，而強(qiáng)度低；碳含量過高，其強(qiáng)度升高，而塑性及韌性下降，同時焊接性與冷成型性變差。后期多數(shù)的改進(jìn)型低合金超高強(qiáng)度鋼因碳含量較高，其淬火后抗拉強(qiáng)度值均能高于1 500 MPa，但塑韌性卻比較差。隨后，300M鋼問世[11]，此鋼是美國鎳公司研發(fā)，通過在AISI 4340鋼中添加1.5%～2.0%的硅元素和少量的釩元素，在有效保證超高強(qiáng)度的情況下，也提高了斷裂韌性。這是因為硅元素能夠提高鋼的回火穩(wěn)定性，抑制回火脆性；釩元素能形成穩(wěn)定性高的細(xì)小碳化物，進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度。目前300M鋼在飛機(jī)起落架外筒鍛件材料上應(yīng)用量仍最大[12]。近幾年，通過調(diào)整碳、鉻、鎢元素含量的低成本Eglin鋼，能形成多類型納米級強(qiáng)化相來抑制位錯移動，從而提高了強(qiáng)度，此鋼的屈服強(qiáng)度值已大于1 800 MPa[13]。

我國對AISI 4330鋼進(jìn)行改良，研發(fā)出了685、686高強(qiáng)韌性裝甲鋼及695超高硬度裝甲鋼。其中在工藝性能等同的條件下，685裝甲鋼抵抗槍、炮彈的性能遠(yuǎn)高于前蘇聯(lián)的43ΠCM和2Π裝甲鋼。在此基礎(chǔ)上，我國還研發(fā)了抗穿甲彈防護(hù)系數(shù)超過1.3的新型超高強(qiáng)度695(42CrNiMoV HBW514-578)裝甲鋼[14]。表1是上述部分超高強(qiáng)度鋼的合金成分[15]。

表1 部分超高強(qiáng)度鋼的合金成分(%)Table 1 Chemical alloy composition of some ultra-high strength steels(%)

2.2 二次硬化超高強(qiáng)度鋼

二次硬化超高強(qiáng)度鋼指的是在馬氏體鋼中添加了一些如鉻、鎳、鉬、鈷等促進(jìn)碳化物形成元素，經(jīng)淬火-高溫回火(500～600 ℃)處理，析出彌散、細(xì)小第二相碳化物后，出現(xiàn)硬度升高或是硬度下降減緩的合金鋼[16]。20世紀(jì)60年代中葉，美國U.S.鋼公司成功研發(fā)出了應(yīng)用于深海潛水艇的耐高壓低溫、韌性高、強(qiáng)度高的HY180鋼(屈服強(qiáng)度值高達(dá)1 200 MPa)[17-18]。其主要通過添加適量的鈦和鈷元素，增加鉻、鉬元素含量，獲得彌散、細(xì)小的第二相碳化物來強(qiáng)化馬氏體基體；同時，增加鎳含量(10%以上)，降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，從而提高鋼的韌性；降低碳含量，保證鋼的焊接性。而K.J.Handerhan等[19 ]通過深入研究HY180鋼，經(jīng)過調(diào)整一些元素的含量(增加鈷和碳含量)，并經(jīng)過830℃的油淬熱處理，又在510℃進(jìn)行時效處理后，成功研發(fā)出了應(yīng)用于航空界的具有超強(qiáng)韌性(斷裂韌性值高達(dá)154 MPa·m1/2)、超高強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度值高達(dá)1 517 MPa)，焊接性能和加工性能均優(yōu)的鋼——AF1410鋼。經(jīng)過不斷探索，美國Carpenter公司成功研發(fā)出了強(qiáng)度更高，抗疲勞性更強(qiáng)，抗應(yīng)力腐蝕開裂能力更大的AerMet100鋼(屈服強(qiáng)度值高達(dá)1 750 MPa，斷裂韌性值高達(dá)135 MPa·m1/2)[20]，是新型戰(zhàn)機(jī)起落架結(jié)構(gòu)件的首選材料。后來結(jié)合了AerMet100鋼的優(yōu)勢，該公司開發(fā)了抗拉強(qiáng)度值高達(dá)2 172 MPa的AerMet3100鋼，但其相對韌性較低。AF1410鋼、AerMet100鋼的強(qiáng)化主要是通過增加碳和鈷元素含量，來增加更多細(xì)小第二相碳化物的形核位置和析出數(shù)量，從而保證超高的強(qiáng)度。因為鎳和鈷元素含量大，該系列鋼合金成本高，且在成型生產(chǎn)時易產(chǎn)生偏析等缺陷，所以后期發(fā)展受到了限制。2014年，較低成本的Ferrium M54鋼被研發(fā)出[21]，其屈服強(qiáng)度值高達(dá)1 965 MPa，斷裂韌性值高達(dá)110 MPa·m1/2。Ferrium M54鋼采用降低鈷含量來降低合金成本，并添加適量的釩、鈦和鎢元素，其中釩可形成富釩的碳化物，增加強(qiáng)化作用；鈦形成富鈦的碳化物，可抑制高溫奧氏體的粗化；鎢可促進(jìn)細(xì)晶強(qiáng)化來增加強(qiáng)度。將Ferrium M54鋼試用在艦載教練機(jī)用阻攔鉤桿和攔阻鉤頭上，結(jié)果表明該鋼具有損傷容限特性、超高的強(qiáng)韌比及優(yōu)良的綜合性能，且合金成本低，可用于飛機(jī)起落架的制造[3]。

近年來，中國在該類鋼的研究上有很大的突破，最具代表的是G99鋼和G50鋼。G99鋼是由我國冶金部鋼鐵研究總院、航天部七零三所、川投長城特殊鋼公司、東北大學(xué)共同承擔(dān)研制的[22]。此鋼的屈服強(qiáng)度值高達(dá)1 520 MPa以上，斷裂韌性值高達(dá)124 MPa·m1/2以上，與上述美國的AF1410鋼相當(dāng)，在航空界的應(yīng)用前景廣闊。為了降低成本，我國又自行研發(fā)了用于航天的專利鋼—G50鋼[23]。G50鋼是一種經(jīng)濟(jì)成本較低，且具有超高強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度值高達(dá)1 380 MPa)和超高韌性(斷裂韌性值高達(dá)105 MPa·m1/2)的鋼。該鋼中不含鈷元素，添加了少量的鎳、硅元素(用于固溶強(qiáng)化和推遲低溫回火脆性)和鈮元素(用于細(xì)化晶粒)。表2是常溫下上述部分二次硬化超高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能。

表2 常溫下部分二次硬化超高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能

2.3 超高強(qiáng)度馬氏體時效鋼

超高強(qiáng)度馬氏體時效鋼是指經(jīng)時效處理后[24]，在超低碳馬氏體基體上析出多樣化納米級彌散分布的金屬間化合物，通過Orowan機(jī)制形成硬化現(xiàn)象的超高強(qiáng)度鋼。美國鎳公司于1961年至1962年間，首次發(fā)現(xiàn)可以大幅度提升馬氏體硬化強(qiáng)度，其方法是向鐵鎳馬氏體合金中添加了鉬、鈦和鈷元素。這是因為鉬和鈦元素可與鎳形成納米級彌散分布的化合物進(jìn)行強(qiáng)化；鈷元素主要是通過影響鋼中高密度位錯的亞結(jié)構(gòu)來促進(jìn)納米級鉬金屬間化合物的均勻形核及彌散析出，還可通過提高馬氏體轉(zhuǎn)變點等來提高強(qiáng)度和保證塑韌性。經(jīng)驗證得出18Ni(200)鋼與18Ni(250)鋼的屈服強(qiáng)度值分別高于1 400 MPa和1 700 MPa，將這2種鋼首次用在了火箭發(fā)動機(jī)殼體上。隨后還得到了屈服強(qiáng)度值達(dá)2 000 MPa的18Ni(300)[25]，這引起了人們對馬氏體時效鋼的研發(fā)熱潮。屈服強(qiáng)度值高達(dá)2 400 MPa的18Ni(350)馬氏體鋼被成功研發(fā)，隨后，繼續(xù)研發(fā)出屈服強(qiáng)度值為2 800 MPa和3 500 MPa的 18Ni(400)鋼和18Ni(500)鋼，但這2種鋼并未真正實際應(yīng)用[26]，這是因為生產(chǎn)這2種鋼的工藝相當(dāng)復(fù)雜，且它們的韌性很低。此間，德國、前蘇聯(lián)、日本也開始了對馬氏體鋼的研發(fā)。日本首先從濃縮鈾離心機(jī)開始對該系列鋼的研究。

過渡族金屬鈷元素是比較緊缺的資源，由于18Ni系的馬氏體時效鋼中需要添加8%～12%的鈷元素，導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)成本太高，其后續(xù)發(fā)展受到了極大的影響。故此，無鈷馬氏體時效鋼成為研究熱點。美國鎳公司首當(dāng)其沖成功的研發(fā)出了不含鈷元素的18Ni馬氏體時效鋼[27]，而后與其他公司合作，成功研發(fā)出了T250無鈷馬氏體時效鋼[28]。隨后又相繼研發(fā)了與含鈷18Ni馬氏體時效鋼性能等同的T-200鋼和T-300鋼。同期，日本也成功研發(fā)出了Fe-14Ni-3Cr-3Mo-1.5T的無鈷馬氏體時效鋼，韓國也成功研發(fā)出了無鈷馬氏體時效鋼W-250鋼。這些鋼除綜合性能好外，更大的優(yōu)勢在于其生產(chǎn)成本降低了五分之一至三分之一[29]。

我國試從無鈷馬氏體鋼中添加銅元素開始研制馬氏體時效鋼，但經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)此鋼的力學(xué)性能較差，特別是塑韌性均很低。經(jīng)過努力，后來何毅等[30]也成功研制出用于固體發(fā)動機(jī)殼體的T-250鋼(屈服強(qiáng)度值為1 655 MPa)和性能與18Ni(300)含鈷馬氏體鋼接近的T-350鋼(屈服強(qiáng)度值為2 150 MPa)。

上述的馬氏體時效鋼主要通過金屬元素析出大量半共格第二相來阻礙高密度位錯運動，從而提高鋼的強(qiáng)度，但此方法已不能再進(jìn)一步提高馬氏體時效鋼的強(qiáng)度。2017年，Jiang等[31]開發(fā)了以最小晶格錯配度實現(xiàn)高密度共格納米第二相析出強(qiáng)化的Fe18Ni3Al4Mo0.8Nb0.08C0.01B新型無鈷超高強(qiáng)度馬氏體時效鋼，其抗拉強(qiáng)度值為2 200 MPa，延伸率為8.2%。此鋼將昂貴的鈷和鈦元素用鋁元素來替換，有效地降低合金成本，開拓了馬氏體時效鋼的研究思路，擴(kuò)大了該類鋼的工程應(yīng)用范圍。表3是國際上典型馬氏體時效鋼的成分和性能。

表3 國際上部分馬氏體時效鋼的成分和力學(xué)性能

3 超高強(qiáng)度鋼的熱處理工藝

為使鋼的抗拉強(qiáng)度值高于1 500 MPa，延伸率值大于10%，研究表明鋼的顯微組織中只有呈位錯條狀馬氏體組織可能達(dá)到要求[32]，這需采用淬火的熱處理工藝實現(xiàn)。目前，超高強(qiáng)度鋼的熱處理工藝有3種，分別是傳統(tǒng)的淬火-回火工藝，新研發(fā)的淬火-碳配分工藝及改進(jìn)型的淬火-碳配分-回火工藝。

3.1 淬火-回火工藝

淬火-回火工藝是指將鋼件加熱至奧氏體相區(qū)或奧氏體與鐵素體兩相區(qū)以上某一溫度并保溫一定時間，快速浸入淬冷介質(zhì)中冷卻，形成強(qiáng)度及硬度都高的馬氏體組織及殘余的奧氏體組織，隨后將鋼件再次加熱到某一溫度保溫，并在油中或空氣中冷卻而獲得穩(wěn)定的回火組織的工藝。經(jīng)過淬火-回火的熱處理工藝，得到的混合組織有馬氏體和回火穩(wěn)定組織，使鋼件具備良好的綜合性能。G50超高強(qiáng)度鋼通過此工藝，得到較好的強(qiáng)度及韌性[33]。

3.2 淬火-碳配分工藝

研究發(fā)現(xiàn)淬火鋼中的殘余奧氏體可以保證鋼的韌性和塑性[34，35]。故Speer等[36]提出淬火-碳配分工藝，即將鋼加熱到完全奧氏體化溫度(也可在奧氏體與鐵素體兩相區(qū))區(qū)間保溫一段時間，淬火到馬氏體相變開始溫度(Ms)和相變結(jié)束溫度(Mf)之間的一定溫度，形成一定比例的馬氏體和殘余奧氏體，隨后升溫至淬火溫度(一步法)或至Ms以上一定溫度(兩步法)進(jìn)行保溫，此過程應(yīng)用阻礙碳化物析出元素(硅、鋁或磷)使得馬氏體中的碳充分向殘余奧氏體擴(kuò)散分配。再冷卻到室溫，此過程由于殘余奧氏體的富碳而穩(wěn)定性增加，故冷卻時不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，在室溫下能夠穩(wěn)定存在。與淬火-回火工藝相比，這種工藝既能保證鋼足夠的強(qiáng)度，還提高了其塑性和韌性，具有較優(yōu)的強(qiáng)韌比。香港大學(xué)設(shè)計的10Mn-0.44C-1.87Al-0.67V新型配分鋼通過軋制工藝改變亞穩(wěn)態(tài)奧氏體的形貌[37]，實現(xiàn)了超高強(qiáng)度和斷裂韌性的良好結(jié)合。

3.3 淬火-碳配分-回火工藝

由于淬火-碳配分工藝忽視了非滲碳體碳化物析出強(qiáng)化的應(yīng)用，過度關(guān)注淬火后馬氏體中過飽和碳元素向殘余奧氏體中配分，使得配分溫度比較隨意。我國的徐祖耀等[38-39]在淬火-碳配分工藝基礎(chǔ)上提出了添加形成碳化物元素(鉬、鈮、鎳等)的淬火-碳配分-回火的熱處理工藝。該工藝為了保證能得到細(xì)小的奧氏體晶粒，將鋼加熱到較低的奧氏體化溫度并保溫一定時間，然后進(jìn)行淬火，淬火溫度為Ms與Mf之間的一定溫度，這是為了獲得一定比例的板條馬氏體和一定厚度的薄片狀殘余奧氏體，此間會有過渡碳化物從馬氏體中沉淀析出。為了能讓殘余奧氏體在室溫下也保存下來，本工藝在淬火后升溫到Ms以上一定溫度并保溫，讓馬氏體中的碳元素能有足夠的能力擴(kuò)散到殘余奧氏體中并富集，保證了殘余奧氏體室溫下也能穩(wěn)定存在而不發(fā)生分解，此間也會有碳化物析出。最后進(jìn)行水冷工藝。對比上述2種鋼的熱處理工藝，后者充分利用了非滲碳體的合金碳化物在馬氏體上沉淀強(qiáng)化作用，鋼強(qiáng)度得到有效地提高，同時利用能保存到室溫而不發(fā)生分解的富碳?xì)堄鄪W氏體，保證了鋼的強(qiáng)塑性和韌性，具有更優(yōu)的綜合性能。如王曉東等[40]研究的中碳鋼Fe-0.485C-1.195Mn-1.185Si-0.98Ni-0.21Nb，經(jīng)淬火-碳配分-回火工藝后，其抗拉強(qiáng)度值為2 000 MPa，延伸率為10%。

4 超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展方向

當(dāng)今全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，眾多領(lǐng)域都在積極引入超高強(qiáng)度鋼，需求量日益增大。尤其是航空、航海等領(lǐng)域，因行業(yè)的特殊性，對超高強(qiáng)度鋼在強(qiáng)度、塑韌性、抗疲勞性、抗蝕性、低成本等方面都有著更高的要求，這是今后研發(fā)新型超高強(qiáng)度鋼重點和難點。本文擬從以下5個方面來探索超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展方向。

1) 高通量材料集成技術(shù)的智慧化服務(wù)

傳統(tǒng)鋼鐵材料以“實際需求-經(jīng)驗設(shè)計-實驗論證”的試錯方式進(jìn)行研發(fā)，從設(shè)計到使用整個過程周期長，且浪費材料，成本很高，這已不能滿足超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展需求[41]。隨著“材料基因組計劃”的提出[42]，高通量材料集成計算因精度高，周期短的優(yōu)勢已成為鋼鐵材料研發(fā)的新技術(shù)[43]，上述的Ferrium M54鋼就是通過高通量材料集成技術(shù)進(jìn)行設(shè)計的新型低成本超高強(qiáng)度鋼。今后，若在可視化數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用等方面進(jìn)一步突破，高通量材料集成技術(shù)將會實現(xiàn)智慧設(shè)計、智慧生產(chǎn)與智慧服務(wù)，這將縮短研發(fā)應(yīng)用周期、節(jié)約材料、降低綜合成本，大幅提高超高強(qiáng)度鋼的綜合性能。

2) 復(fù)合材料的可設(shè)計性

單一的鋼鐵材料存在著彈性模量低、強(qiáng)韌比差等的缺陷。將鋼鐵材料與不同材料復(fù)合得到的新型鋼鐵材料綜合性能好、生產(chǎn)成本低，是今后鋼鐵復(fù)合材料開發(fā)的熱點。上述的Fe18Ni3Al4Mo0.8Nb0.08C0.01B就是以金屬第二相顆粒彌散強(qiáng)化復(fù)合的新型馬氏體超高強(qiáng)度鋼。

3) 熱處理工藝的改善

熱處理工藝一直是鋼鐵材料成型后改善其組織和性能的重要方法。近年來，在新型淬火-碳配分工藝上改進(jìn)的淬火-碳配分-回火工藝，通過析出非滲碳體合金碳化物的分布及對殘余奧氏體的影響，有效地提高了鋼強(qiáng)度和塑韌性。進(jìn)一步改善淬火溫度、保溫時間及回火溫度等工藝的合理配合，將更有利于今后超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)韌性提升。

4) 激光增材制造技術(shù)的應(yīng)用[44]

通過添加稀有昂貴金屬來提升鋼鐵材料性能的方法，一方面因合金成本昂貴，另一方面在鋼件成型加工時因合金元素引發(fā)的成分不均勻和偏析現(xiàn)象，造成了材料的大量浪費。近幾年迅速發(fā)展的激光增材制造技術(shù)，是一種可以實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)件的精密成型和高性能的裝備制造技術(shù)，鋼件在整個生產(chǎn)制作過程中不需要模具，不僅大大的節(jié)約了材料，有效地縮短了生產(chǎn)周期，而且極大地降低生產(chǎn)成本。該技術(shù)在今后超高強(qiáng)度鋼研發(fā)方面具有極大的應(yīng)用前景。

5) 綠色化可持續(xù)發(fā)展

面對地球能源的不斷減少和全球氣候的變暖，從能源綠色可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，資源省、功能強(qiáng)、壽命長、環(huán)境好的綠色化鋼鐵材料成為超高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)研究開發(fā)的新熱點。

5 結(jié)論

超高強(qiáng)度鋼經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，在航空、航海、軍工等特殊領(lǐng)域已發(fā)揮了不容忽視的作用。高性能、長壽命、低能耗、低成本、高通量材料集成技術(shù)的智慧化服務(wù)、綠色化可持續(xù)發(fā)展是今后超高強(qiáng)度鋼的主要發(fā)展方向。