一、研究的背景与问题
随着化石能源的日渐枯竭，寻找清洁可替代的能源成为全球关注的焦点，而氢能源的储量丰富、绿色环保、热值理想、利用率高等特点使其在全世界得到了广泛推广。目前，国内对于氢能产业的发展也十分重视，并部署了氢能产业发展战略规划。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，为满足不断增长的社会、市场需求和相关产业的发展需要，开发高强韧抗氢脆钢并提升其服役寿命是国家的产业政策。然而，无论在高强钢的冶炼、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，高强钢的氢脆始终是制约其发展应用的重要瓶颈。并且，高强钢的强度越高，氢脆敏感性也越大，危害也越严重。目前氢脆以及氢损伤的科学机制已经比较明晰，但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，这样的工艺方法可一定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，最终导致严重的危害，因此氢脆的本质问题始终没有得到彻底解决，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有重要的工程意义，对发展和完善抗氢脆研究具有重要的理论价值。
北京科技大学庞晓露教授团队针对高强钢面临的氢脆难题，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，得出为了提升抗氢脆性能，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NbC/α-Fe半共格界面深氢陷阱的物理本质，揭示了NbC/α-Fe半共格界面处的失配位错是NbC深氢陷阱的根源，并通过NbC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，采用局域微量供给的方法获得具有优异抗氢脆性能的多元复合纳米相强化钢，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。本项目所开发的高强韧抗氢脆车轮钢、弹簧钢、海洋装备用钢系列产品，品种多、规格全、表面质量好，由于其优良的综合性能，创造巨大企业效益的同时也创造了显著的社会效益。
二、解决问题的思路与技术方案
本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关键问题，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。本项目的主要方案和技术路线如下图1所示。首先，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。接下来，通过多元微量合金设计与精准控制技术的突破，提出钢熔体中的浓度梯度控制理论来制备纳米相，实现在熔体中精准设计微量元素体系及含量控制纳米相的数目和尺寸。进一步地，通过一体化设计，实现纳米相的均匀、弥散析出，构造纳米级深氢陷阱，提升抗氢脆性能。
图1 本项目主要方案路线图
本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，实现纳米相增韧增韧高强钢、提升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高韧钢的批量稳定生产。
三、主要创新性成果
针对先进轨道交通装备和海洋装备用钢需满足高强韧、抗氢脆的重大需求，本项目突破了多元微量元素耦合合金设计、精准工艺控制、纳米相形成与构筑纳米相和铁基体半共格界面等关键技术，从基础研究、关键技术、产品开发三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：
1、揭示了高强韧钢中纳米相与氢的原子层次的交互作用机制，为工程上构造大量弥散分布的深氢陷阱提供了理论基础
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据和工程实践方法；如图2所示，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。
图2 高强钢中纳米析出相深氢陷阱的研究
2、通过多元微量元素耦合设计、多点微量供给技术、稳定精准热处理技术，找到了钢中纳米颗粒界面浓度、生长速度和生长时间对颗粒尺寸的影响规律，在工程上实现了大量弥散分布的深氢陷阱的可控制备
如图3所示，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溶-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；根据固溶-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，使整个工艺过程一直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。
图3 多元微量元素耦合热力学分析钢中纳米析出相的固溶-析出机制
3、在工业化生产过程中通过控制多元微量合金的加入方式以及钢液对流强度的控制，实现了装备用钢中大量弥散分布的深氢陷阱制造
基于上述理论技术，本项目开发了抗氢脆高强高韧钢，通过微量元素设计、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。如本项目开发的车轮钢中含有大量弥散分布在晶粒内的纳米相，其产生白点临界氢浓度由~2.5 ppm提升到~4.9 ppm，服役寿命大幅提升。本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，形成了相应的国家、团体标准，实现了批量稳定生产，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。
四、应用情况与效果
如图4所示，本项目开发了高强韧抗氢脆车轮钢、弹簧钢、海洋装备用钢系列产品，品种多、规格全、表面质量好，由于其优良的综合性能而得到广泛应用，在创造巨大企业效益的同时也创造了显著的社会效益。对国内高强韧抗氢脆钢行业的技术进步起到示范引领作用。多项产品实现国内首发及工程化、批量稳定化应用，成功打破国外技术垄断，产品成功替代进口，填补国内空白，显著提升我国高强韧抗氢脆金属材料的国产化率，产品实物质量及技术经济指标达到国际领先水平，极大的解决了我国先进轨道交通装备和高端海洋装备用钢只能依赖进口的“卡脖子”局面，对于提升我国先进轨道交通装备和海洋装备这一新型战略产业的技术进步，实现交通与海洋强国、发展蓝海经济战略目标具有重要意义。
图4 本项目开发的车轮钢、弹簧钢以及海洋装备用钢
