高强度因瓦合金中纳米氮化物的有效调控及强化效果研究

This proposed project is based upon the strategy in making use of nano-nitrides that present not only relatively low coefficient of thermal expansion (CTE) but also powerful strengthening effects on austenite matrix to increase its strength and remain a low CTE value by replacing the conventional precipitation strengthening through carbides or intermetallics, which needs more noble alloying element such as Co to prohibit an unfortunately apparent increase in CTE of the invar alloys. The chemical compositions, types and contents of nitrides in the experimental materials will be optimized by using the computational materials science initially. Then we are trying to use means of high pressure or alloying in order to increase the nitrogen contents, together with an improvement in metallurgical quality of the ingots during solidification. Various parameters, such as size and distribution, of the precipitated nitrides in the materials could be effectively tailored by controlled processing to form a homogeneous distribution of nano-nitride particles on austenite matrix. The purpose of this proposal is to develop the low cost invar alloys with tensile strength larger than 1300 MPa and CTE value lower than 2.5 ppm/K by exploring effects of those nitrides on performances of the alloys. The accomplishments of this project by the self-dependent innovation technology will provide the scientific support for the development of novel materials and the significantly positive effects on the replacing import of high-quality steels, which will drive the present product mix adjustment for the iron & steel enterprises of China.

本项目试图以热膨胀系数低、且对奥氏体基体强化作用大的纳米尺度氮化物作为高强度因瓦合金的强化相，以改变常规的利用碳化物或金属间化合物为强化相，但需添加较多Co抑制膨胀系数增加的不利局面，达到提高材料强度、同时又保持其低膨胀特性的目的。首先，我们利用计算材料学的手段，优化材料的化学成分以及氮化物的种类和数量。其次，通过冶炼过程中氮气加压或合金化技术增加合金中的氮含量，并辅以凝固措施的改进提高铸锭的冶金质量。再通过后续的加工工艺优化，有效调控材料中氮化物的尺寸和分布状态等物理参数,以在奥氏体基体上形成均匀分布的纳米氮化物颗粒。通过揭示这些纳米氮化物对因瓦合金不同性能的影响规律，试图研发抗拉强度>1300MPa，热膨胀系数<2.5ppm/K的新型低成本高强度因瓦合金材料。该项技术属自主创新，一旦成功，对于相关新材料的研制具有科学指导意义，对于替代进口、推动当前钢铁的产品结构调整意义重大。

本项目以纳米尺度碳氮化物作为高强度因瓦合金的强化相，以改变常规的利用碳化物或金属间化合物为强化相，但需添加较多Co抑制膨胀系数增加的不利局面，以达到材料强度和低膨胀特性同步改善的目的。首先，我们利用计算材料学的手段，优化了材料的合金化方案以及碳氮化物的种类和数量。其次，通过高压增氮技术及合金化方式提高合金的氮含量。再通过后续加工工艺的优化，有效调控时效过程中析出的碳氮化物种类、尺寸和分布状态,以在奥氏体基体上形成均匀分布的纳米级碳氮化物颗粒。结果表明：1）向Fe-Ni二元因瓦合金中单纯加入Cr或Mo，虽然能使材料的强度提高。但由于时效过程析出的是单一形式的Cr7C3或Mo2C，它们很容易沿奥氏体晶界或亚晶界聚集长大，故强化效果较弱。2）向含钼因瓦合金中加入V、Ti等强碳化物形成元素，它们会优先与C、N结合形成Ti(C,N)和VC，有效抑制了粗大Mo2C颗粒的析出。这些Ti(C,N)和VC第二相在时效过程中始终保持稳定的纳米颗粒，不仅有利于因瓦合金强度的提高及热膨胀系数的降低，而且还将材料的最佳时效温度提升至780℃。故Mo、V、Ti同时添加的因瓦合金经1240℃×3 h固溶+780℃×5 h时效获得了Rm=937.7 MPa的高强度及-50～100℃=2.28×10-6 K-1的低膨胀系数。3）对Mo、V、Ti同时添加的因瓦合金进行拉拔变形，随着拉拔程度的增加，材料强度升高、膨胀系数下降。当拉拔变形量达到89.6%时，其最高抗拉强度可达1166MPa。导致这一变化的主要原因是，拉拔变形过程中，伴随着材料晶粒尺寸的减小以及位错密度的增值，由奥氏体晶粒内部析出了大量细小的VC、Mo2C和TiN第二相颗粒。不同的是，拉拔变形过程中析出的第二相很少以碳氮复合物形式存在。4）在拉拔变形的基础上，对Mo、V、Ti等多元合金化的因瓦合金进行时效处理，不仅能使材料的强度更进一步提高，而且膨胀系数也同时下降。其中，650℃×2 h时效的样品抗拉强度达到1356 MPa，-50～100℃= 2.12×10-6 K-1。5）在碳（氮）化物第二相种类不变的条件下，降低时效过程中析出第二相产物的尺寸，不仅能提高材料的析出强化效果，而且还能实现其低膨胀特性的同步改善。该项技术属自主创新，对于相关新材料的研制具有科学指导意义。对于替代进口、推动当前钢铁产品的结构调整意义重大。