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【对话头部】 “镍基合金”研发现状与未来 | 首期:宝武太钢

镍基合金凭借其耐腐蚀、耐高温等优异性能,越来越频繁地出现于下游产业,针对镍基合金的研发工作随之成为关注焦点。国际、国内的钢企头部研发了哪些最新的镍基合金产品?产品背后有哪些振奋人心的技术突破?未来,镍基合金将有哪些发展方向?

从本期开始,《不锈钢世界亚洲》将组织一系列围绕“镍基合金”专题对话,邀请国内、国际头部钢企的技术专家,与我们一起聊聊有关镍基合金的研发现状与未来。

首期对话嘉宾:谷宇,宝武太钢技术中心副主任, 材料科学与工程专业博士,深耕不锈钢、镍基合金材料研究十三年。

01、请您简介太钢在镍基合金方面的研发背景,近期太钢取得了哪些可喜的进展?

谷博士:太钢于2010年起涉足镍基合金的研究,至2017年太钢的镍基合金产量有了大幅提升。2021年,我们开发了几种新产品,其中值得注意的一项产品,是在航空复合材料模具上使用的Invar合金(也称Invar36)。作为一种含镍36%的镍铁低膨胀合金,Invar36在常温到240度左右的环境下膨胀系数几乎为零。

事实上,在国际的航空领域内,Invar36合金材料早已有广泛的应用;长期以来,国内在膨胀系数方面一直达不到航空级别的要求,因此在很长时间里,国内未能进入Invar36大量生产的时代。影响膨胀系数中的一个至关重要的因素是对残余元素的控制,即除了镍与铁的主要元素外,其他元素比例要尽可能低。

【对话头部】 “镍基合金”研发现状与未来 | 首期:宝武太钢

太钢最新研发的这一款Invar36,多种残余元素的含量在0.01%以下,膨胀系数达到航空级别,品质能与法国、美国比肩。

去年,太钢还研发了其他镍基精密合金产品如4J29、4J42等,适用于电子信息行业。随着我国对电子、航空航天行业的提出新布局、新需求,太钢将继续沿着镍基合金的规模化、低成本的方向继续研发。

02、太钢在镍基合金产品方面掌握了哪些核心技术?同一技术国际上处于什么水平?

谷博士:目前太钢的大多数铁镍基产品,都可以通过立式连铸技术实现生产。2021年,我们采用立式连铸技术,生产了约3000多吨铁镍基合金。这项技术的优点很多:生产效率高、成材率高、单卷幅宽和卷重可做到很大从而降低综合成本,能与不锈钢生产线兼容等等。

大约五年前,太钢开始了立式连铸的技术研发。国际上,日本冶金最早实现了立式连铸技术,比太钢的起步早了10多年。从技术角度而言,太钢目前的立式连铸技术与日本冶金已无太大差距;然而,在技术成熟度方面,日本冶金的立式连铸技术的经济性更好,合格率、成材率更高。相信再经过几年的磨合,太钢的立式连铸技术将臻于完善。

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立式连铸技术图解

03、未来,太钢在镍基合金产品的核心技术的研发方面,将有哪些发展方向?

谷博士:众所周知,镍基合金是一种热传导性非常差的高合金材料,在连铸过程中容易出现热裂纹。一般来说,这种材料的生产效率比较低。国际上有一种通行认知,认为镍基合金适合采用立式连铸,而不适合采用立弯式连铸。

但是,从连铸技术的发展来看,大方向是以立弯式连铸为主,如碳钢、不锈钢生产都是采用立弯式连铸。如果仅仅是镍基合金用立式连铸,实际上是非常不易生产组织的。

就这项行业性难题,太钢将研究如何进一步提升镍基合金连铸技术的通用性,比如会往立弯式连铸技术方向进行突破。

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立弯式连铸技术图解

04、在镍基合金产品的研发中,您观察到哪些重要议题正在引起行业的关注?

谷博士:首先是对氮元素的研究。传统的镍基合金生产过程中并不欢迎氮的使用,随着现代冶炼技术的发展升级,氮元素的地位可谓今非昔比。

2020年中国第三届超级奥氏体和不锈钢和镍基合金的国际研讨会上,山特维克公司发表了Sanicro® 35超级奥氏体不锈钢,它是在不降低Sanicro® 25氮比例的情况下,将镍含量增量至35%的材料。按照金属的按例来说,Sanicro® 35是镍基合金;按照超级奥氏体的设计理念,它含高钼、高氮,是超级奥氏体不锈钢。

事实上,Sanicro® 35的出现,模糊了超级奥氏体和镍基合金的传统界限。作为一种优秀的抗腐蚀元素及廉价的强化元素,氮正在引起耐腐蚀领域的高度关注。

其次是对复合材料的技术研究,如镍基合金与不锈钢的复合、镍基合金与碳钢的复合等等,行业正在期待一种技术突破。

目前的两种复合技术都存在各自亟待解决的难题。比如,爆炸复合技术,尽管操作上相对简单,然而它对产品长度、尺寸都有一定限制;另一种轧制复合技术——把热变形行为不同的表面材料焊合到一起,由于不同材料的热处理温度、冷却方式不尽相同,如何选择匹配的材料进行复合?一直以来是行业性的技术难点。无论是复合中板、还是复合卷板、复合管,相信业内人士都与我们一样,期待实现技术突破。

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