中国冶金报社
记者 郝淑慧 报道
通讯员 武泽文 摄影
“没有高温合金就不会有现代航空航天和燃气发电技术。”7月21日，在第三届高品质特殊钢冶金国际会议暨第八届特种冶金技术学术会议大会主旨报告环节，东北大学绿色智能特殊钢冶金研究中心主任姜周华表示，高端装备用特殊钢和合金是国民经济高质量发展的基石，而制备这些材料必须攻克两大核心难题——“超洁净”和“高均质”。
图为姜周华
“超洁净”与“高均质”为何如此关键
姜周华解释，“超洁净”是指将钢中氧、硫、氮等有害杂质和夹杂物控制在极低水平。以高铁轴承钢为例，氧含量须控制在3ppm（百万分之三）以下，否则会影响轴承的疲劳寿命和运行可靠性。“高均质”是指材料内部化学成分和组织结构高度均匀一致，如果出现成分偏析或局部缺陷，会直接导致材料在极端工况下失效。
航空航天和核电领域对这两项指标要求最为严苛。姜周华介绍，航空发动机涡轮盘工作在超高温、高转速环境下，任何微观缺陷都可能酿成灾难性后果。可控核聚变装置的真空室材料316L(N)（奥氏体不锈钢）需承受上亿度等离子体的持续冲刷和14.1MeV（兆电子伏）高能中子辐照，既要保持宽温区强韧性，又要实现10-8Pa（帕斯卡）量级的超高气密性。“可喜的是，中国已成功研发RAFM钢（低活化铁素体/马氏体钢）并应用于CFETR（中国聚变工程实验堆）和ITER（国际热核聚变实验堆）项目，显示了我国在高端材料制备上的技术实力。”姜周华说。
战略性新兴产业的新需求倒逼材料升级
姜周华表示，多个战略性新兴产业正在对材料提出越来越苛刻的要求。
他举例，在新能源汽车领域，特斯拉带火的一体化大型压铸工艺，将原本由70个零件冲压焊接而成的后车架变为一个整体，重量降低30%、成本下降40%。模具尺寸由此大幅增加，厚度已达600毫米～800毫米，需要材料具备高导热性、高淬透性、低偏析和超洁净等综合性能，使用寿命要求达到3万～5万次。
在电子信息领域，半导体芯片制造设备用的超纯316L不锈钢，其纯度直接影响芯片良品率。OLED（有机发光二极管）蒸镀掩膜板所需的因瓦合金箔材厚度要求在25微米以下、宽度超过1040毫米，尺寸稳定性要求极高。这些关键材料目前仍依赖进口。
特种冶金技术攻关取得突破
面对上述挑战，包括姜周华团队在内的我国冶金科技工作者在特种冶金核心技术与装备方面潜心攻关，取得一系列进展。
其中，VIM（真空感应熔炼）超纯净熔炼技术通过原料纯化处理、高稳定性坩埚材料降低氧硫含量、真空碳脱氧、稀土和镁处理等手段实现钢液深度净化。值得关注的是，国内已经有企业将返回料经纯化处理后，100%车屑料的夹杂物水平与全新料相当，气体含量可控制在氢≤1ppm、氧≤10ppm、氮≤40ppm，大幅降低了高端材料的生产成本。
VID（真空感应脱气炉）采用“大气熔化—真空精炼—保护浇铸”工艺，兼具LF（钢包精炼）、VD（真空脱气）、VOD（真空氧脱碳）等多重精炼功能，生产效率显著提升。这些技术在国内也已开始实施。
在ESR（电渣重熔）装备方面，姜周华团队自主研发的全密闭保护气氛电渣炉已形成系列化——60吨板坯电渣炉实现稳定量产，最大断面达1000毫米×2000毫米；150吨级电渣炉采用双炉头双工位、低频电源和“一键式”智能控制，最大钢锭直径达2100毫米，大型化和智能化水平均属国际前列。
针对高温合金制备中常见的白斑和黑斑缺陷，姜周华团队正在进行系统研究。白斑是外来固态颗粒未熔合形成的点状缺陷，内部贫化铌、钛、钼等强化元素；黑斑则是凝固过程中因溶质富集产生的宏观通道偏析，富集铌、钛、碳等元素并生成MC碳化物和Laves（拉弗斯）脆性相。两种缺陷的防治策略存在矛盾——高熔速有助于排出外来颗粒，但会加剧偏析；低熔速和强冷却能抑制偏析，却可能导致颗粒滞留。对此，姜周华认为，关键在于工艺参数的折中匹配，实现熔速、冷却、电弧与原材料的多维协同。“目前，团队正在建立系统的控制策略来平衡这一矛盾，为高质量高温合金铸锭生产提供了技术保障。”他透露。
姜周华表示，下一步，针对航空航天用800℃难变形高温合金、新一代超高强度钢等关键材料，将带领团队开发更先进的VIM（真空感应熔炼）、ESR（电渣重熔）和VAR（真空自耗重熔）技术与装备；建设氢冶金与特殊钢一体化的短流程中试基地，覆盖特种不锈钢、超纯不锈钢、镍基合金、模具钢和高氮钢等多个品种，为高端材料自主创新提供从工艺开发到产业化转化的全链条支撑。
“只有坚持装备自主化与工艺创新协同推进，才能真正保障我国高端装备制造业和战略性新兴产业的材料安全。”姜周华说。
