沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢多元微合金化与制备关键

1、沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢ZG30Cr26Ni14多元微合金化与制备关键技术研究（三）项目基本情况项目简介(200字以内) 项目针对Cr25Ni20成本高、性价比低的特点，拟通过对ZG30Cr26Ni14添加微量N、Re、Nb、W等元素与热处理改性，获得奥氏体基体加细小弥散分布高硬度强化相的组织，制备出一种性能优良的沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢，提高其高温硬度、高温强度和高温抗氧化性，从而达到或超过Cr25Ni20的高温性能。该材料将延长铸件的使用寿命、节约镍等宝贵资源，符合国家节能环保产业政策，将创造显著的经济效益和社会效益，并在水泥、火力发电等领域具有广阔的应用前景。主要技术指标(200

2、字以内) 通过对沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢成分设计、强化机理、纯净化熔炼、凝固缺陷控制、损伤机理及寿命预测等问题开展研究，建立成分工艺组织性能之间的关系，形成先进高温耐热耐磨铸钢材料设计和制备关键技术，制备出一种性能优良的高温耐热耐磨铸钢。该高温合金将达到以下技术指标：1.抗拉强度(MPa)450；2.屈服强度(MPa)220；3.延伸率(%)5；4.该材料在1000,1000h时的持久强度、抗氧化性与Cr25Ni20相当或超过Cr25Ni20。 主要创新点、先进性(此内容作为查新机构的查新点，500字以内) 一创新点：（1）通过对ZG30Cr26Ni14进行合金成分设计和偏析行为研究，研制

3、出多元微合金化沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢，揭示凝固过程中合金元素的凝固偏析行为，为发展高强度、高抗氧化性、低成本高温合金建立理论基础；（2）探索关键合金元素在沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢中的强化机理，沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢中强化元素较多，强化机理复杂，合金化程度高，元素之间还存在交互作用。迄今为止，部分元素的作用机制仍不清楚，探讨复杂体系中合金化元素的作用机制有利于沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢成分优化和发展先进高温合金。为此，研究微量元素N、Re、Nb、Mo、W等对沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢的强化机制；（3）解决高合金化材料液态成形和均质化问题，发展沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢制备技

4、术。二先进性：（1）揭示沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸件液态成形过程的科学规律，完善沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨合金铸造缺陷形成与控制的模型，为发展先进高温合金铸件成形提供科学依据；（2）建立沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢成分设计、制备加工和组织性能基础数据库，发展铸造关键技术，为发展新型沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢制备技术建立基础数据库和技术平台。 二、项目主要内容项目起始时间 2014-01 计划完成时间 2017-01 技术领域 02 01.电子信息 02.新材料 03.先进制造 04.新能源与高效节能 05.交通运输06.现代服务业 07.化工及建材 08.轻工纺织 09.农业高技术10.农业生

5、产 11.农业设施装备 12.农业现代产业13.新农村建设 14.海洋科技 15.资源与节约16.环境与可持续发展 17.人口与健康 18.中医药现代化19.公共安全 20.生物技术 21.城镇发展与其他社会事业 22. 高新技术创新服务项目类别 1 1.科研 2.中试 3.新产品开发研究方式 2 1.本单位独立完成 2.产学研结合 3.引进消化再创新主要优势 2 3 4 (按优势大小选择三项)1.重大理论突破 2.技术工艺创新突出 3.市场前景广阔4.经济效益显著 5.社会效益显著 6.形成自主知识产权 9.其它项目计划总投资 63.8 万元其中已完成投资 3.5 万元计划新增投资来源单位自

6、筹 33.5 万元金融贷款 0 万元财政拨款 26.8 万元其中:国家财政拨款 0 万元省科技经费 26.8 万元地方政府配套 0 万元其它 0 万元新增投资中省科技经费支出预算仪器设备购置及维修费 1.5 万元能源及材料消耗费 18.6 万元场地租赁费 0 万元试验外协费 5.1 万元资料印刷费 0.2 万元调研差旅费 1.1 万元鉴定验收费 0 万元管理费 0 万元其它费用 0.3 万元国内外研究综述(1000字以内) 我国对充分利用本国资源和在高温合金中加入微量元素来发展和生产优质高温合金予以特别的注意。主要有节省合金元素钴、加入合金元素铌、加镁微合金化、加磷微合金化、低偏析技术及其合金

7、的发展，无铪的定西结晶铸造高温合金经济型单晶合金。半个多世纪以来我国发展和形成了550-1100温度范围内的高温金属结构材料体系。以满足日益增长的动力、石化、运输、航空以及航天等工业的需求。成都科技大学高升吉等研究了稀土对铬镍钨奥氏体耐热铸钢组织和性能的影响，结果表明，稀土能净化钢液、减少钢中杂质、改变硫化物结构、形状和分布、细化枝晶组织；减少二次枝晶臂间距；提高耐热铸钢的塑性和耐热性。商丘职业技术学院陈爱等研究了稀土耐热铸钢的试验研究。结果表明，在钢中加入适量的金属Ce或La，可显著地提高各种耐热钢的蠕变强度，断裂时间延长2倍以上，研制的Fe-Cr-Ni-Al耐热合金钢种在1250时具有优良

8、的力学性能和高温抗氧化性能。广州有色金属研究院郑开宏研究了含氮、稀土、铌的高铬镍耐热耐磨铸钢的显微组织和高温力学性能，经电厂应用证明，该材质制作的喷火嘴使用寿命是原用耐热钢喷嘴的3.5倍。美国在20世纪90年代推出了一些新型镍基合金，如Haynes242，230，214和556等，美国在高温合金的研究方面一直处于领先地位，研制成功的Inconel718镍基合金已在飞机发动机上得到应用。Inconel718的产量在美国高温合金中已占第一位。前苏联在变形高温合金方面发展了一些列镍基合金。日本在镍基单晶高温合金(如TIMS-26)，镍基超塑性高温合金（如TMP-3）和氧化物晶粒强化高温合金（如TMO

9、-2）方面取得了较大的成功。英国较早地开展了高温合金的研究和应用，形成自己的一些列高温合金体系，如Nimonic系列等。近年来也不断推出新型号的合金材料，如国际镍公司发展的低膨胀系数合金4005等。合金发展的一个主要特点是日益提高加入合金元素的总量。国外在铸造和粉末冶金高温合金方面也研制了大量新型合金，用于制造涡轮盘和壳体等。近年来单晶高温合金的研究普遍展开，多种单晶合金不断问世，现已发展到第三代，新材料有PWA1487和MCZCMSX-4等。目前，我国铸造高温耐热耐磨材料的生产已向规模化发展，并已成为服务于水泥、建材和发电企业的独立行业。铸造高温耐热耐磨材料的生产工艺、设备条件以及质量控制方

10、面也都有很大的改善，从而大大降低了易损件的消耗和生产成本。铸造高温耐热耐磨材料的生产和应用已趋于稳定，但对于基础理论和应用的科学仍在继续，还有更多的新型高温耐热耐磨材料需要去开发。 主要研究内容(2000字以内) 通过对沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢成分设计、强化机理、纯净化熔炼、凝固缺陷控制、损伤机理及寿命预测等问题开展研究，建立沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢成分设计制备成形组织控制使役性能之间的关系，形成先进沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢材料设计和制备加工的基础理论体系，发展先进液态成型技术。具体研究内容分为以下几个方面：（1）沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢成分设计及强韧化机理。研究合金元素在沉淀硬化型高

11、温耐热耐磨铸钢中的分布、扩散规律及交互作用、碳化物等析出相的形成和变化规律，揭示N、Re、Nb、Mo、W等合金元素强韧化的本质；研究沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢微合金化的基本原理，确定多元复杂体系中各种合金元素的最佳匹配关系，完善沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢成分设计准则。（2）沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢纯净化冶炼及凝固成形与缺陷控制。研究沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢熔体杂质元素去除理论及合金与介质界面冶金化学与热力学行为，掌握熔体纯净度及高温熔体处理对组织特征的影响规律；研究复杂多元合金凝固过程中微观凝固组织演变过程，探索凝固缺陷的形成机制并提出相应控制方法，为高温合金复杂构件凝固成形工艺设计与缺陷

12、控制提供理论基础。（3）沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢的损伤机制、寿命预测研究。研究沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢在高温拉伸、蠕变、疲劳、热机械疲劳过程中微观组织变形机制以及合金失效形式，探索其组织稳定性和长时服役条件下组织演变和性能变化规律，建立沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢的损伤模型，并提出基于高温合金损伤行为的逆向材料设计理论；发展便于工程应用的高温合金安全服役寿命预测方法。主要创新点、先进性(500字以内) 一创新点：（1）通过对ZG30Cr26Ni14进行合金成分设计和偏析行为研究，研制出多元微合金化沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢，揭示凝固过程中合金元素的凝固偏析行为，为发展高强度、高抗氧化性、低

13、成本高温合金建立理论基础；（2）探索关键合金元素在沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢中的强化机理，沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢中强化元素较多，强化机理复杂，合金化程度高，元素之间还存在交互作用。迄今为止，部分元素的作用机制仍不清楚，探讨复杂体系中合金化元素的作用机制有利于沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢成分优化和发展先进高温合金。为此，研究微量元素N、Re、Nb、Mo、W等对沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢的强化机制；（3）解决高合金化材料液态成形和均质化问题，发展沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢制备技术。二先进性：（1）揭示沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸件液态成形过程的科学规律，完善沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨合金铸

14、造缺陷形成与控制的模型，为发展先进高温合金铸件成形提供科学依据；（2）建立沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢成分设计、制备加工和组织性能基础数据库，发展铸造关键技术，为发展新型沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢制备技术建立基础数据库和技术平台。 研究方法和技术路线(1000字以内) 一. 研究方法本项目利用真空感应冶炼炉、高温力学试验机、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、电子探针（EPMA）、X射线衍射（XRD）、热模拟试验机（Gleeble）、热物理和热力学测量仪器、场发射高温疲劳/环境扫描电镜原位观察系统等材料制备、表征、测试和分析手段，对高温合金的关键科学问题开展研究。（1）通过对该高温合金材

15、料超纯化熔炼，研究其夹杂物形成过程，分析高温合金脱O、N、S的机理，并提出夹杂物控制手段；分析高温合金中的碳化物等强化相随熔体处理温度和凝固参数的变化规律。研究高温合金熔体偏聚及均匀化，观察过热高温合金熔体结构对缺陷形成、枝晶偏析的影响规律，（2）通过试验与模拟相结合，研究不同试验条件（合金成分、冷却速率等）下高温合金凝固成形过程中凝固缺陷类型、微观组织演变与合金性能的相关性，建立多元复杂合金凝固过程的模型，探明多场耦合作用下高温合金微观组织演变过程，揭示凝固成形过程中缺陷形成机理及控制方法，为高温合金复杂构件凝固成形提供理论基础。（3）通过研究高温合金高温疲劳性能、微观组织演化规律和疲劳损伤

16、微观机制、宏观疲劳断裂过程，在服役环境和加载条件下研究构件的失效机理，揭示长期高温服役条件下高温合金性能退化的原因；通过模拟高温疲劳与热机械疲劳条件下材料的退化过程，与实际构件的破坏方式对比，揭示高温合金材料与实际构件高温疲劳破坏的本质规律。结合现有高温合金材料疲劳寿命评价方法，提出简单实用的高温合金疲劳寿命预测新方法与新理论；（4）总结合金成分和热处理工艺参数对沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢影响规律，为工业化生产提供可靠的技术依据和理论指导。二. 技术路线本项目以沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢为重点，主要围绕沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢的成分设计和强韧化基础理论、纯净化冶炼及缺陷控制、材料加工成形与组

17、织性能调控、先进加工制备技术、损伤机制及防护机理等关键科学问题展开研究工作，揭示沉淀硬化型高温耐热耐磨铸钢的成分设计制备成形组织控制使役性能之间的关系，发展先进高温合金材料设计与制备加工技术。项目的研究技术路线图（图1）。图1 研究技术路线图Fig.1 Flow chart of Research on the Subject 主要技术指标 (500字以内) 通过对沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢成分设计、强化机理、纯净化熔炼、凝固缺陷控制、损伤机理及寿命预测等问题开展研究，建立沉淀硬化型奥氏体耐热耐磨铸钢的成分设计制备成形组织控制使役性能之间的关系，形成先进高温耐热耐磨铸钢材料设计和制备关键技术

18、，制备出一种性能优良的高温耐热耐磨铸钢。该高温合金将达到以下技术指标：1.抗拉强度(MPa)450；2.屈服强度(MPa)220；3.延伸率(%)5；4.该材料在1000,1000h时的持久强度、抗氧化性与Cr25Ni20相当或超过Cr25Ni20。 工作基础条件 (500字以内) 一工作基础申请人自工作以来，一直从事新型耐热、耐磨材料的研究工作，先后承担济南市青年科技明星计划，山东省自然科学基金。并参与多个省部级科研项目。发表论文10余篇，授权发明专利4项。与多个企业合作开展了新型耐热、耐磨产品开发工作，在耐热、耐磨金属材料方面形成了稳定的专业研究方向。课题组在耐热材料领域获得国家级发明奖一

19、项。项目成员均为材料加工专业，拥有硕士以上学历，中级以上技术职称，在新型耐磨、耐热材料开发方面有扎实的基础和丰富的经验。项目承担单位先后主持承担国家和省各类科研项目290余项，取得国家和省级科研成果210余项。获国家发明奖4项。获得授权专利91项，其中中国发明专利62项。在耐热耐磨金属材料、军工材料等领域取得了一系列原创性研究成果。现拥有省级重点实验室1个、省级工程技术研究中心1个。是国家科技成果重点推广计划项目技术依托单位。二工作条件项目承担单位设有铸造实验室、材料成型数值模拟实验室、力学性能实验室、摩擦磨损实验室、金相实验室、化学分析实验室以及中试车间等，主要试验设备和仪器有200余台套。

20、另外，我院分析测试中心具有国内最先进的大型分析测试仪器设备。先进的试验条件可保证本项目的顺利完成。市场需求及产业化前景(500字以内) 高温合金材料主要应用于航空航天、电力、水泥等领域。随着新型高温合金材料的出现，市场需求处于逐步扩大和增长状态。目前，我国目前高温合金材料年生产量约1万吨左右，每年需求可达3万吨以上，市场容量超过80 亿元。Tmf中国行业咨询网_行业报告_行业分析_市场调研_第三方市场数据提供商随着我国火力发电、建材行业和水泥行业的迅速发展，市场需求量也随之大增，如悬浮预热器内筒挂片、回转窑窑头窑尾护板等，这些铸件长期与高温气体和腐蚀物料接触，即使受1200环境高温氧化腐蚀、又受到高温材料的冲刷磨损，使用条件非常恶劣，因此产品性能直接决定着水泥热工