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高性能金屬材料 | 中國(guó)工程科技2035發(fā)展戰(zhàn)略：材料領(lǐng)域報(bào)告

2022-03-24 15:48:36 作者：今日新材料來源：今日新材料分享至：

鋼鐵和常用有色金屬（鋁、鎂、鈦和銅）是傳統(tǒng)材料，在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中，具有廣泛的用途。隨著工程科技的發(fā)展，世界鋼鐵和常用有色金屬材料應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，仍然充滿活力，在促進(jìn)人類文明進(jìn)程中占有重要地位。

一、國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，世界鋼鐵產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢。國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)（World Steel Association）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2017年，全球粗鋼產(chǎn)量為16.91億噸，同比增長(zhǎng) 5.3%，除獨(dú)聯(lián)體地區(qū)粗鋼產(chǎn)量與 2016年持平外，全球其他地區(qū)粗鋼產(chǎn)量均同比增長(zhǎng)。2017年全球粗鋼產(chǎn)量前十的國(guó)家如表 12-5所示。

表12-5 2017 年全球粗鋼產(chǎn)量前十國(guó)家

數(shù)據(jù)來源：世界鋼鐵協(xié)會(huì)

（一）高品質(zhì)特殊鋼材料

國(guó)外特殊鋼（不含電工鋼）材料，年產(chǎn)量約 8800萬噸，產(chǎn)量和所占鋼產(chǎn)量比例，也相對(duì)穩(wěn)定且呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家特殊鋼產(chǎn)量一般占其鋼總產(chǎn)量的 15%～20%，其中瑞典的特殊鋼占比高達(dá) 45%～50%。日本特殊鋼的產(chǎn)量和出口量位居發(fā)達(dá)國(guó)家之首。其他發(fā)達(dá)國(guó)家在某些特殊鋼品種上也各有特色。例如，瑞典是世界上“特殊鋼比重”最高的國(guó)家，其 SKF公司的軸承鋼、山德維克公司的工模具鋼在國(guó)際上具有很高的知名度；法國(guó)的不銹鋼、精密合金，奧地利的工模具鋼，美國(guó)和英國(guó)的高溫合金等都為國(guó)際一流水平。國(guó)外的特殊鋼產(chǎn)品具有尺寸精度高、鋼中有害物質(zhì)少、夾雜控制水平高、使用壽命長(zhǎng)、耐熱耐腐蝕等優(yōu)異使用性能。

海洋工程裝備建造商的第一陣營(yíng)公司主要在歐美地區(qū)。這些公司壟斷了海洋工程裝備開發(fā)、設(shè)計(jì)、工程總包及關(guān)鍵配套設(shè)備供貨；而海洋工程裝備用鋼的國(guó)外生產(chǎn)廠家分布在日本和德國(guó)，其中的代表廠家為日本JFE公司、日本新日鐵公司與德國(guó)迪林根公司。國(guó)外由于海洋工程裝備用鋼開發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)品更加成熟，主要體現(xiàn)為如下特點(diǎn)：

（1）標(biāo)準(zhǔn)專用化。日本JFE公司，對(duì)海洋平臺(tái)鋼板形成了自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)系列，如 JFE-HITEN系列高強(qiáng)鋼板、JFE-HITEN系列良好焊接性及大線能量焊接鋼板、低溫用鋼板及耐海水腐蝕鋼板等；美國(guó)有針對(duì)海洋平臺(tái)用鋼的API2W和2Y標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)有特殊要求的鋼板，如低溫、應(yīng)變時(shí)效、表面質(zhì)量等進(jìn)行了規(guī)定。

（2）大規(guī)格高強(qiáng)度。目前，JFE公司，海洋平臺(tái)用鋼抗拉強(qiáng)度為360-980MPa，可以生產(chǎn)厚度達(dá) 125～150mm 的特厚板。

（3）特殊使用性能。

（二）高溫合金材料

高溫合金材料的研發(fā)和生產(chǎn)，不斷受到用戶技術(shù)發(fā)展和經(jīng)營(yíng)模式變化的影響，獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。航空發(fā)動(dòng)機(jī)提高推重比、增加安全性和經(jīng)濟(jì)性，航天器速度超聲速倍率的增大，車用發(fā)動(dòng)機(jī)降耗減排的高增壓技術(shù)等，牽引了粉末高溫合金、單晶高溫合金、金屬間化合物等新材料的發(fā)展，且使研發(fā)與產(chǎn)業(yè)部門更加重視材料的工程化技術(shù)研究，以加快新材料進(jìn)入工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)的過程；競(jìng)爭(zhēng)的壓力驅(qū)使發(fā)動(dòng)機(jī)用戶提高燃料效率、減少油耗（趨勢(shì)是年平均減少1%），而這主要需依靠空氣動(dòng)力效率、燃燒室設(shè)計(jì)的改進(jìn)和材料使用溫度的提高而產(chǎn)生的熱力學(xué)效率提高。其中，雙性能/ 雙組織渦輪盤由于更符合渦輪盤的工況特點(diǎn)將成為高推重航空發(fā)動(dòng)機(jī)的必然選擇，而使用溫度可達(dá) 1100℃的第三代單晶高溫合金高壓渦輪葉片和密度只有4.0g/cm3 的鈦鋁金屬間化合物低壓渦輪葉片將是提高渦輪機(jī)效率的重要材料基礎(chǔ)。

（三）有色金屬材料

世界各發(fā)達(dá)國(guó)家，都非常重視有色金屬材料（特別是先進(jìn)輕型合金）的研究發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)工作。隨著發(fā)展中國(guó)家制造業(yè)的興起，低端有色金屬材料的生產(chǎn)加工正逐步轉(zhuǎn)向發(fā)展中國(guó)家，但日本、美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等發(fā)達(dá)國(guó)家在新型有色金屬材料領(lǐng)域仍然保持著技術(shù)資本的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，在一些關(guān)系到高技術(shù)工業(yè)的高性能有色金屬結(jié)構(gòu)和功能材料上一直占據(jù)著壟斷地位。奧科寧克、諾貝麗斯、海德魯?shù)仁澜缦冗M(jìn)企業(yè)在高強(qiáng)高韌鋁合金材料的研制生產(chǎn)領(lǐng)域占據(jù)世界主導(dǎo)地位，是全球航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域輕質(zhì)高強(qiáng)材料的供應(yīng)主體；全球鈦加工企業(yè)經(jīng)過聯(lián)合和兼并，已向集團(tuán)化、國(guó)際化的方向邁進(jìn)了一步，形成了美國(guó)、日本、獨(dú)聯(lián)體三足鼎立的局面。美國(guó)的Timet、RMI 和 AllegenTeledyne三大鈦生產(chǎn)企業(yè)的總產(chǎn)量占美國(guó)鈦加工總量的 90%，也是世界航空級(jí)鈦材的主要供應(yīng)商。日本的三菱化學(xué)控股公司、古河及美國(guó)的奧林等企業(yè)則主導(dǎo)著全球高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金市場(chǎng)，憑借技術(shù)先導(dǎo)優(yōu)勢(shì)贏得了高額利潤(rùn)和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

二、國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

“十二五”期間，我國(guó)的金屬材料產(chǎn)業(yè)取得了舉世矚目的成就，鋼鐵和常用有色金屬的產(chǎn)量都接近全球產(chǎn)量的一半。2017年，全國(guó)10 種有色金屬的產(chǎn)量為 5378萬噸，比上年增長(zhǎng) 3%，增速比上年提高 0.5個(gè)百分點(diǎn)。其中，銅的產(chǎn)量為 889萬噸，增長(zhǎng) 7.7%，增速比上年提高 1.7個(gè)百分點(diǎn)；電解鋁的產(chǎn)量為3227萬噸，增長(zhǎng) 1.6%，增速比上年提高 0.3個(gè)百分點(diǎn)；鉛的產(chǎn)量為472萬噸，增長(zhǎng)9.7%，增速比上年提高 4個(gè)百分點(diǎn)；鋅的產(chǎn)量為 622萬噸，下降 0.7%，增速比上年增長(zhǎng) 2%；氧化鋁的產(chǎn)量為 6902萬噸，增長(zhǎng) 7.9%，增速比上年提高 4.5個(gè)百分點(diǎn)。

我國(guó)的金屬材料產(chǎn)業(yè)，順應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)、工業(yè)化、城鎮(zhèn)化等對(duì)鋼鐵和有色金屬材料的旺盛需求，在規(guī)模擴(kuò)張上創(chuàng)造了舉世空前的紀(jì)錄，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量也有了較大提高。目前鋼鐵材料除少數(shù)大類品種外，其他鋼材的自給率都達(dá)到 100%，關(guān)鍵鋼材產(chǎn)品（如汽車用鋼、管線鋼、硅鋼、船板等）的產(chǎn)量大幅提高，22大類鋼材品種中有 18類鋼材的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)到95%以上。而且一些鋼材（如板材、管材）已經(jīng)打入美國(guó)、日本、西歐和韓國(guó)等發(fā)達(dá)產(chǎn)鋼國(guó)家和地區(qū)的市場(chǎng)。這說明，我國(guó)鋼鐵行業(yè)不僅在品種質(zhì)量上已經(jīng)基本能滿足各用鋼部門的需求，而且部分品種達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家用戶的要求。我國(guó)有色金屬品種也基本滿足國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，多種新研制的輕合金材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和應(yīng)用，鈦合金大規(guī)格棒材用于國(guó)際航空制造業(yè)，銅及銅合金復(fù)雜管材、大型鋁合金型材進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)并占據(jù)主導(dǎo)地位。

（一）高品質(zhì)特殊鋼材料

近年來，我國(guó)特殊鋼行業(yè)與整個(gè)鋼鐵行業(yè)一樣發(fā)展迅速，取得了舉世矚目的成就。不銹鋼、軸承鋼、齒輪鋼、模具鋼、高速鋼等的產(chǎn)量均居世界第一，為我國(guó)國(guó)防工業(yè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了重要的原材料保障。但我國(guó)特殊鋼行業(yè)的整體發(fā)展水平和產(chǎn)品質(zhì)量與先進(jìn)國(guó)家仍有很大差距。根據(jù)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的需求，現(xiàn)對(duì)能源、交通、海洋及航空航天用先進(jìn)鋼鐵材料進(jìn)行闡述。

1.1. 先進(jìn)能源用鋼

先進(jìn)能源用鋼，主要包括風(fēng)電、水電、核電裝備用鋼。我國(guó)已經(jīng)具備了風(fēng)電用寬厚板、高級(jí)別 Φ80mm風(fēng)電軸承用鋼（GCr15SiMn）的批量生產(chǎn)能力，偏航軸承總成和風(fēng)葉主軸軸承總成還在研制之中。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)用軸承鋼的企業(yè)有江陰興澄特種鋼鐵有限公司、湖北新冶鋼有限公司、寶鋼特鋼有限公司等。我國(guó)自主生產(chǎn)的 600MPa級(jí)壓力鋼管能滿足使用要求，800MPa級(jí)的壓力鋼管正在開發(fā)中，基本掌握了水電、核電裝備所用的大型不銹鋼鑄鍛件的生產(chǎn)技術(shù)，改變了依賴進(jìn)口的局面。

1.2. 現(xiàn)代交通用鋼

現(xiàn)代交通用鋼，包括高速軌道用鋼和汽車用鋼。高速軌道用鋼主要有列車轉(zhuǎn)向架、車輪、掣肘、軸承、彈簧及鋼軌用鋼。目前我國(guó)自主研制的微合金化車輪用鋼已經(jīng)成功用于時(shí)速200km的列車，時(shí)速高于200km 的車輪用鋼正在研發(fā)中；對(duì)于高端車軸用鋼S38C，我國(guó)正處于工業(yè)試驗(yàn)階段；車輛軸承用鋼的高端產(chǎn)品 GCr18Mo能夠立足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)；高鐵彈簧鋼研究已有重大突破，有望實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化；我國(guó)高鐵用鋼軌的產(chǎn)能已達(dá)世界第一，質(zhì)量也處于世界先進(jìn)水平。我國(guó)的鋼軌生產(chǎn)廠家主要是鞍鋼集團(tuán)有限公司、包頭鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司和攀鋼集團(tuán)有限公司的國(guó)有大型企業(yè)。

在汽車用鋼方面，強(qiáng)塑積 20GPa% 的第一代汽車用鋼、強(qiáng)塑積在 60GPa%的第二代汽車用鋼均可實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，強(qiáng)塑積在30～40GPa% 的第三代高性能汽車用高強(qiáng)度鋼的研發(fā)已經(jīng)接近世界先進(jìn)水平。我國(guó)的高強(qiáng)度汽車用鋼生產(chǎn)廠家主要是中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司、鞍鋼集團(tuán)有限公司、武漢鋼鐵集團(tuán)公司和首鋼集團(tuán)等企業(yè)。

1.3. 海洋用鋼

海洋用鋼主要包括海洋平臺(tái)、海底油氣管線、特種船舶用鋼。目前屈服強(qiáng)度 355MPa以下海洋平臺(tái)用鋼基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，占海洋平臺(tái)用鋼量的 90%；海底管線鋼 X65、X70、X80及厚壁海洋油氣焊管均已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化；化學(xué)品船用中厚板已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，自主研制的2205型雙相不銹鋼已被成功地應(yīng)用在化學(xué)品船上；液化天然氣船用 9%Ni 鋼和液化乙烯儲(chǔ)罐用 12Ni19鋼已經(jīng)能夠批量生產(chǎn)。我國(guó)的海洋工程用鋼的主要生產(chǎn)廠家為中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司、鞍鋼集團(tuán)有限公司、首鋼集團(tuán)、新余鋼鐵股份有限公司、武漢鋼鐵集團(tuán)公司、南京鋼鐵集團(tuán)有限公司、湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司、濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司等，其他大部分鋼廠產(chǎn)品并不能達(dá)到厚度和強(qiáng)度的要求，目前這幾個(gè)生產(chǎn)廠已具有年產(chǎn)50萬噸以上的生產(chǎn)能力。

1.4. 航空航天用鋼

大部分航空航天用鋼已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但大型客機(jī)的軸承、連接螺栓、著陸齒輪等部件用的結(jié)構(gòu)鋼還需要進(jìn)口。大推比運(yùn)載火箭系統(tǒng)殼體、動(dòng)力連接裝置、星箭或船箭解鎖包帶等部件用特殊鋼及各類空間環(huán)境設(shè)施用高品質(zhì)特殊鋼還有待進(jìn)一步開發(fā)。

（二）高溫合金材料

經(jīng)過近 60年的發(fā)展，我國(guó)的高溫合金產(chǎn)業(yè)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈等武器裝備方面取得了很大進(jìn)展。

在變形高溫合金方面，仿制 Inconel718合金并結(jié)合我國(guó)的國(guó)情和生產(chǎn)裝備狀況，形成了國(guó)內(nèi)牌號(hào) GH4169及相應(yīng)的技術(shù)條件和標(biāo)準(zhǔn)，基本滿足了我國(guó)航空航天領(lǐng)域?qū)?GH4169合金的需求。

在鑄造高溫合金方面，單晶合金以仿制為主，已經(jīng)發(fā)展了第一代、第二代單晶合金，并逐漸走向工程化應(yīng)用。第三代、第四代單晶合金尚處于研制階段，基本滿足了我國(guó)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的迫切需求。

在粉末高溫合金方面，目前國(guó)內(nèi)的研究主要集中于前三代粉末高溫合金的應(yīng)用研究，第四代粉末高溫合金研制處于起步探索階段。

國(guó)內(nèi)高溫合金行業(yè)代表企業(yè)有寶鋼特鋼有限公司、撫順特殊鋼股份有限公司、攀鋼集團(tuán)有限公司江油長(zhǎng)城特殊鋼有限公司、北京鋼研高納科技股份有限公司、沈陽中科三耐新材料股份有限公司、北京航空材料研究院、沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司、西安航空動(dòng)力股份有限公司等。

（三）高性能有色金屬結(jié)構(gòu)材料

高性能有色金屬材料，主要包括高性能鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕型合金材料，高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金及鎢鉬等難熔硬質(zhì)合金，是我國(guó)發(fā)展大飛機(jī)、信息技術(shù)、高速鐵路、海洋工程等國(guó)家重大工程的基礎(chǔ)。

目前我國(guó)已經(jīng)成為世界有色金屬材料的生產(chǎn)消費(fèi)大國(guó)，已連續(xù) 10多年居世界產(chǎn)量首位。通過引進(jìn)消化與自主制造相結(jié)合，我國(guó)有色金屬行業(yè)裝備水平已達(dá)世界一流水平，其中大型冶煉與電解裝備，連軋與連鑄連軋裝備，擠壓、軋制與鍛壓設(shè)備的單機(jī)規(guī)模和整體數(shù)量都處于世界前列。在新材料及其制備加工領(lǐng)域取得了一批具有世界先進(jìn)水平的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具備了一定的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，取得了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、達(dá)到國(guó)際先進(jìn)的成果。例如，我國(guó)新一代高強(qiáng)高韌高淬透性航空鋁合金研究及其工程化制備技術(shù)取得突破性進(jìn)展，鋁合金大型特種型材及其擠壓工模具研究開發(fā)取得成功；成功開發(fā)了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的銅帶、管拉鑄技術(shù)及銅鋁復(fù)合技術(shù)等新材料技術(shù)；大型鈦合金鑄錠和鍛件研制生產(chǎn)取得明顯進(jìn)展，產(chǎn)品走向國(guó)際市場(chǎng)；新一代高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金材料及其電子引線框架銅帶產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究取得突破，達(dá)到萬噸級(jí)產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

但是，我國(guó)有色金屬新材料核心技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)還比較落后，長(zhǎng)期處于

技術(shù)跟蹤狀態(tài)，還沒有建立有特色的完整合金牌號(hào)體系，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并取得國(guó)際注冊(cè)的新材料和熱處理制度也寥寥無幾，處于新材料開發(fā)和應(yīng)用中美系、俄系、歐系合金混用的局面，巨大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)和規(guī)模優(yōu)勢(shì)沒有轉(zhuǎn)化為技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)有色金屬行業(yè)已經(jīng)遍布全國(guó)，形成了數(shù)千家國(guó)有、民營(yíng)企業(yè)和合資企業(yè)大小不一、技術(shù)水平差別較大的市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)局面。我國(guó)重大工程用先進(jìn)有色金屬材料主要由國(guó)有大型骨干企業(yè)研制生產(chǎn)，其中中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)有限公司和北京有色金屬研究總院聯(lián)合研制的新一代高強(qiáng)高韌鋁合金和鎂合金基本滿足了我國(guó)航空航天重大工程新材料需求，以寶鈦集團(tuán)有限公司為首的鈦合金骨干企業(yè)為國(guó)家重大工程研制并提供了一批重要鈦合金材料。我國(guó)鎢鉬業(yè)形成了地勘–采選 – 冶煉 – 加工 – 科研開發(fā)比較完整的工業(yè)體系。硬質(zhì)合金及鎢鉬材加工等工藝技術(shù)和設(shè)備儀器的檔次顯著提升，部分產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到世界先進(jìn)水平；鎢絲和摻雜鎢絲制取和加工方面的主流技術(shù)和裝備已達(dá)世界先進(jìn)水平；國(guó)防和航空用高性能耐震鎢絲、汽車和電子行業(yè)用抗震耐熱鎢絲、微波爐和彩電鎢熱陰極部件已能生產(chǎn)；電子束熔煉加工電子級(jí)細(xì)晶鉬開發(fā)成功并得到應(yīng)用。

三、相關(guān)研究前沿

（十四）基于材料基因組的先進(jìn)鋼鐵材料設(shè)計(jì)研發(fā)技術(shù)

從鋼鐵材料研發(fā)歷程和發(fā)展趨勢(shì)來看，高性能先進(jìn)鋼鐵材料將向高強(qiáng)度、優(yōu)異的強(qiáng)韌性匹配、高均勻化、長(zhǎng)壽命化等方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)材料的綠色化、智能化及定制化生產(chǎn)制備。傳統(tǒng)炒菜或試錯(cuò)設(shè)計(jì)研發(fā)模式已難以滿足上述需求。例如，航空航天、高技術(shù)船舶、軌道交通等高端裝備制造用先進(jìn)鋼鐵材料的疲勞、持久、蠕變、氫脆、腐蝕等使役性能研究需要大量的數(shù)據(jù)樣本和長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)積累；傳統(tǒng)超高強(qiáng)度鋼研發(fā)從原型設(shè)計(jì)到材料應(yīng)用至少需要20年。因此，面對(duì)先進(jìn)鋼鐵材料新的發(fā)展需求，基于材料基因組的先進(jìn)鋼鐵材料設(shè)計(jì)研發(fā)技術(shù)將成為創(chuàng)新和引領(lǐng)材料設(shè)計(jì)研發(fā)的重大基礎(chǔ)技術(shù)。美國(guó)、歐盟、俄羅斯、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)均出臺(tái)了相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃和計(jì)劃，以加速高性能鋼鐵結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)。

該技術(shù)將結(jié)合第一性原理、熱/動(dòng)力學(xué)、相場(chǎng)、有限元等計(jì)算方法與模型進(jìn)行多因素模塊化耦合，研發(fā)先進(jìn)鋼鐵材料成分 – 工藝 – 組織 – 性能 – 使役行為多尺度集成化計(jì)算方法，探索先進(jìn)鋼鐵材料電子 – 原子層次每個(gè)“基因”片段對(duì)鋼鐵材料各項(xiàng)性能的影響和相關(guān)機(jī)制（包括合金元素?cái)U(kuò)散遷移過程、固溶體和析出相驅(qū)動(dòng)力、亞穩(wěn)相和析出相的材料物理化學(xué)性質(zhì)等），實(shí)現(xiàn)合金設(shè)計(jì)、制備加工及服役行為全流程的高通量計(jì)算；發(fā)展高通量凝固及鍛造基礎(chǔ)理論；開發(fā)合金成分、微觀組織、界面偏聚等多維、多尺度、多參量的高通量表征方法；為構(gòu)建先進(jìn)金屬材料設(shè)計(jì)計(jì)算方法、高通量實(shí)驗(yàn)、高通量計(jì)算模擬和智能化數(shù)據(jù)庫(kù)管理一體化集成計(jì)算創(chuàng)新平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)金屬材料加速研發(fā)、綜合性能提升及材料構(gòu)件短流程、低成本和性能可控的高效制備提供理論支撐。

（十五）有色金屬材料的綠色冶煉技術(shù)

在鋁冶煉技術(shù)方面，目前全球采用的熔鹽電解鋁工藝圍繞進(jìn)一步降低電力消耗的目標(biāo)，以提高電流強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)電解槽大型化為主攻方向，仍在繼續(xù)完善，預(yù)計(jì)噸鋁交流電耗能夠降到13000kW·h以下。碳還原等新原理金屬鋁生產(chǎn)工藝以突破使用材料為重點(diǎn)，繼續(xù)進(jìn)行深入研究。一旦取得突破，能夠使噸鋁電耗降低到 8000kW·h。這將大幅度降低綠的生產(chǎn)成本和能源消耗。

在鎂冶煉技術(shù)方面，目前普遍采用的硅熱法鎂冶煉工藝圍繞進(jìn)一步提高能源利用效率的目標(biāo)，以余熱利用為主攻目標(biāo)，繼續(xù)完善，預(yù)計(jì)噸鎂標(biāo)煤消耗能夠降低到4t 以下。電解法鎂市場(chǎng)工藝以降低生產(chǎn)成本為重點(diǎn)，繼續(xù)進(jìn)行深入研究。一旦取得突破，將大幅度減少金屬鎂生產(chǎn)的二氧化碳排放，降低能源消耗。

在鈦冶煉技術(shù)方面，目前全球采用的克勞爾法海綿鈦生產(chǎn)工藝圍繞進(jìn)一步降低電耗的目標(biāo)，以鎂電解電耗為主攻目標(biāo)，繼續(xù)完善，預(yù)計(jì)噸海綿鈦電耗能夠降低到18000kW·h以下。電解法金屬鈦以實(shí)際應(yīng)用為重點(diǎn)，繼續(xù)進(jìn)行深入研究，一旦取得突破，將大幅度降低金屬鈦的生產(chǎn)成本，促進(jìn)鈦的廣泛應(yīng)用。

（十六）高性能輕合金的性能優(yōu)化

在提高材料高強(qiáng)高韌性能方面，為滿足航空等領(lǐng)域不斷提高的要求，超高強(qiáng)鋁合金研制基本上沿著高強(qiáng)度、低韌性→高強(qiáng)度、高韌性→高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕方向發(fā)展，熱處理狀態(tài)則是沿著T6→ T73→ T76→ T736 （T74） → T77方向發(fā)展。

在合金設(shè)計(jì)方面的發(fā)展特點(diǎn)是，合金化程度越來越高，鐵、硅等雜質(zhì)含量越來越低，微量元素添加越來越合理，最終達(dá)到大幅度提高合金強(qiáng)度且同時(shí)保持合金優(yōu)良的綜合性能的目標(biāo)。在提高材料耐高溫性能方面，鈦合金是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵支撐材料，高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，對(duì)鈦合金耐高溫性能的要求越來越高。未來發(fā)展的主要方向是利用合理的微量元素添加和熱處理技術(shù)，突破高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性障礙，不斷提升高溫鈦合金的使用溫度，滿足高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的需要。

在提高材料耐腐蝕性方面，腐蝕問題制約著鎂合金的推廣應(yīng)用，提高鎂合金的耐腐蝕性能，成為鎂材料工程科技的重點(diǎn)。發(fā)展方向一是使其相間電位差趨于零，二是把鎂合金表面的氧化膜由疏松變?yōu)橹旅埽捎貌煌脑匦纬刹煌难趸a(chǎn)物，用多元氧化物填補(bǔ)空隙，提高鎂合金的耐腐蝕性能。

（十七）金屬近凈加工技術(shù)

粉末冶金技術(shù)是一種高效率、低成本的金屬近凈成型技術(shù)。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，金屬材料領(lǐng)域中，基于粉末冶金技術(shù)出現(xiàn)的3D打印技術(shù)取得重要突破，形成材料領(lǐng)域新的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)、商業(yè)模式。在粉末冶金金屬近凈加工技術(shù)領(lǐng)域，智能制造的技術(shù)主要有注射成型（powder injection molding，PIM）、噴射成型、近終形成型（混合元素和預(yù)合金）、激光快速成型等。

從技術(shù)進(jìn)展看，在未來 10～20年時(shí)間里，粉末冶金金屬近凈加工技術(shù)完全可以在人體器官、機(jī)械裝備零部件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在金屬近凈擠壓技術(shù)方面，相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬鑄造、鍛造、壓延軋制、普通擠壓等技術(shù)，依托智能制造的金屬近凈擠壓技術(shù)可以省略熱軋坯錠制造環(huán)節(jié)，生產(chǎn)流程短、材料消耗少、能源消費(fèi)低，將大幅度降低金屬材料的制造成本。我國(guó)對(duì)銅及銅合金近凈擠壓技術(shù)開發(fā)進(jìn)行了積極探索，在產(chǎn)業(yè)化方面取得了重要進(jìn)展，居世界領(lǐng)先地位。在此基礎(chǔ)上，深入開展多種金屬的近凈擠壓技術(shù)開發(fā)，用于改造、完善傳統(tǒng)金屬加工技術(shù)，對(duì)金屬加工技術(shù)具有重要意義。金屬近凈擠壓技術(shù)主要圍繞等靜壓、凝固成型等方面展開。

四、關(guān)鍵金屬材料產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略

（一）發(fā)展思路

圍繞信息、能源、節(jié)能環(huán)保、生物、航空航天及產(chǎn)業(yè)革新等方面的戰(zhàn)略需求，突破海洋工程用鋼、交通運(yùn)輸用鋼、基礎(chǔ)零部件用鋼、超超臨界電站用合金、鋁鎂鈦等輕合金材料的核心技術(shù)，著力提高材料產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力，通過優(yōu)化組織實(shí)施方式，支持量大面廣和國(guó)家重大工程亟須的結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，著力促進(jìn)一批結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模應(yīng)用。大力發(fā)展結(jié)構(gòu)材料新材料產(chǎn)業(yè)并建立產(chǎn)業(yè)鏈上下游優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、密切合作機(jī)制，有效縮短新材料研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模應(yīng)用的周期，促進(jìn)新材料企業(yè)加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，形成持續(xù)的創(chuàng)新能力，進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)我國(guó)從材料大國(guó)向材料強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變，全面滿足我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)家重大工程和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料的需求。

（二）戰(zhàn)略目標(biāo)

1. 2025 年目標(biāo)

鋼鐵和輕合金材料產(chǎn)業(yè)整體達(dá)到世界先進(jìn)水平，鋼鐵和輕合金材料全面實(shí)現(xiàn)綠色、循環(huán)制造，基本建成新材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系。能源石化用鋼，海洋工程用鋼，交通運(yùn)輸用鋼，基礎(chǔ)零部件用鋼，超超臨界電站用鋼，航空用鋁合金、鈦合金等關(guān)鍵材料，基本能夠滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)家安全、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需求，支撐“制造強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略，初步完成由材料生產(chǎn)大國(guó)向材料制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變。

2. 2035 年目標(biāo)

圍繞經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對(duì)材料智能化、綠色化、個(gè)性化的需求，依靠材料基因組技術(shù)，以開發(fā)新型合金為重點(diǎn)，構(gòu)建金屬材料的持續(xù)創(chuàng)新體系，實(shí)現(xiàn)金屬材料的智能制造，支撐產(chǎn)業(yè)整體達(dá)到世界先進(jìn)水平。著力開發(fā)一批適合3D 打印等技術(shù)的鋼鐵、鋁、鎂、鈦等金屬材料；突破一批金屬近凈加工技術(shù)；應(yīng)用一批創(chuàng)新性的金屬冶煉制造工藝，完成金屬材料產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)由“跟跑”“并行”到“領(lǐng)跑”的跨越，成為引領(lǐng)世界金屬材料技術(shù)革命的重要力量。

五、高性能輕合金材料重大工程

（一）需求與必要性

輕合金材料包括鋁合金、鎂合金、鈦合金，占全部有色金屬使用總量的60%以上，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。重點(diǎn)是圍繞“陸上三大交通運(yùn)輸工具”——包括軌道交通高速列車和貨運(yùn)與煤運(yùn)車、公路運(yùn)輸廂式貨車和半掛車、公路交通乘用車的輕量化制造，實(shí)現(xiàn)降低能耗和減少排放污染的需求，以及以海洋石油鉆探、海水淡化和特種船舶為代表的“海洋工程重大裝備”制造需求，開展系列新型輕合金材料及其制備加工成套技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新攻關(guān)。支撐我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)每年減少燃油消耗100萬噸及相應(yīng)的大氣污染排放降低，同時(shí)帶動(dòng)行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向高技術(shù)含量、高附加值方向發(fā)展，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，使我國(guó)民用輕合金材料與加工技術(shù)全面邁入世界強(qiáng)國(guó)之列。

（二）工程任務(wù)

形成年產(chǎn) 30萬～40萬噸高精度快速時(shí)效響應(yīng)型鋁合金薄板、1500萬～2000萬件乘用車覆蓋件和框架件的生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)，滿足100 萬～150 萬輛乘用車的輕量化車體制造需求；形成年產(chǎn) 1萬～2萬噸高耐腐蝕鋁合金板材、10萬件鋁合金精密管材的生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)，滿足我國(guó)海洋石油鉆探裝備和特種船舶發(fā)展的需求；形成年產(chǎn) 20萬～30萬噸大斷面復(fù)雜截面鋁合金型材、50萬～60萬噸鋁合金軋制板材和預(yù)拉伸厚板及其深加工制品的生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)，滿足 10 萬～15 萬輛廂式貨車和半掛車輕量化車體、1萬～1.5萬輛高速列車和貨運(yùn)車及煤運(yùn)車輕量化車體的制造需求。創(chuàng)建高性能兼高品質(zhì)鎂合金壓鑄件、高性能變形鎂合金加工材的生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)，滿足年產(chǎn)100萬～150萬輛乘用車的車體零部件制造需求。大卷重、高精度、低殘余應(yīng)力鈦帶和焊管生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)滿足海水淡化裝備產(chǎn)業(yè)與工程發(fā)展的需求；高性能大直徑鈦合金管材和型材的生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)，滿足我國(guó)海洋石油鉆探裝備和特種船舶發(fā)展的需求。

（三）工程目標(biāo)與效果

2025年

汽車覆蓋件與框架件制造用高精度快速時(shí)效響應(yīng)型鋁合金薄板成套生產(chǎn)工藝技術(shù)；汽車動(dòng)力系統(tǒng)和底盤制造用高性能鋁合金精密鍛件和高品質(zhì)壓鑄件生產(chǎn)工藝技術(shù)；汽車零部件用高性能高品質(zhì)鎂合金壓鑄件和變形加工材生產(chǎn)工藝技術(shù)；海洋石油工程和特種船舶用高性能大直徑鈦合金管材和型材、鋁合金精密管材和高耐腐蝕板材的生產(chǎn)工藝技術(shù)；水淡化工程用高精度鈦焊管及大卷重、高精度、低殘余應(yīng)力鈦帶的成套生產(chǎn)工藝技術(shù)；軌道交通和貨運(yùn)/ 煤運(yùn)車輛、公路貨運(yùn)和乘用車輛、特種船舶用鋁合金 /鈦合金 /鎂合金的大型、復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)件成型制造與殘余應(yīng)力消減技術(shù)，復(fù)雜焊接加工、異質(zhì)金屬間的連接和接頭腐蝕控制技術(shù)，表面強(qiáng)化及防腐處理技術(shù)。

2035年

形成“合金元素原子間的交互作用機(jī)制及強(qiáng)化相設(shè)計(jì)”理論；“多尺度范圍的第二相——界面耦合強(qiáng)化”理論；“制備與加工全過程中的微觀組織演化規(guī)律與控制”理論；基于“高通量計(jì)算 – 海量數(shù)據(jù)庫(kù)、快速實(shí)驗(yàn)檢測(cè)評(píng)價(jià)”相結(jié)合的材料計(jì)算設(shè)計(jì)與制備加工過程模擬仿真。

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