特殊鋼是以 “特質、高質、品質” 為特征的先進鋼鐵材料典型代表，高質量和高性能是特殊鋼產品的核心要求 [1]。作為面向航空航天、機械制造、能源化工、海洋工程等國民經濟主戰場和國家重大需求的關鍵材料，特殊鋼材料和應用技術水平是衡量一個國家鋼鐵工業水平的重要標志之一 [2-4]。多年來，特殊鋼材料發展在國內外獲得廣泛關注，研究者們已在特殊鋼材料特性 [5-7]、生產工藝 [8-11]、產業發展 [12-14] 等方面開展了大量工作，開發了品種繁多、應用多樣的特殊鋼品種，推動了特殊鋼行業和產業鏈上下游發展。

近年來，隨著新一輪科技革命和產業變革深入發展，科學研究向四極發力，以超超臨界電站、第四代核電、可控核聚變、大型寬體客機、深海深空深地工程、高速列車等為代表的重大工程建設和極端環境裝備發展，對高質量、高性能的先進特殊鋼提出了廣泛需求和重大挑戰。同時，隨著金屬材料理論和生產技術的進步，先進特殊鋼向更高強度化、結構功能一體化和高效低成本制造方向發展的趨勢愈加明顯，可為國家重大工程建設提供新的技術路徑和材料基礎。

在十四五收官之年，在我國特殊鋼材料由跟跑、并跑向領跑邁進之際，重點分析總結了近年來我國在特殊鋼材料技術突破和典型工程應用方面的新進展，并展望了特殊鋼材料未來技術趨勢，期待為特殊鋼行業高質量發展提供參考。

1、先進特殊鋼技術進展

特殊鋼具有特殊化學成分，采用特種方法制備，應用于特殊使役環境。特殊鋼品類繁多，合金化水平差異遠大于其他鋼鐵材料，合金化體系設計 + 精細組織調控是特殊鋼材料技術發展的主線。

1.1 超高強度鋼

超高強度鋼的屈服強度一般超過 1380MPa，主要包括低合金超高強度鋼、馬氏體時效型超高強度鋼、超高強度不銹鋼、中合金和高合金系超高強度鋼。如何實現高強、高塑、高韌是超高強鋼的核心，Ni、Mo、Co、Cu 等元素合金化和基體組織、第二相調控是實現以上高性能的主要技術路徑。

目前，強度在 2GPa 左右的馬氏體時效鋼已經得到廣泛的使用 [15-16]，以 GE1014、ML340 等為代表的二次硬化型超高強度鋼，展現出了高強度、高韌性、高塑性和優異的應變疲勞性能，已經成為目前先進的航空航天發動機動力軸主要選型材料，如應用于英國羅羅公司瑞達 1000 發動機，法國 LEAP-1 發動機低壓渦輪軸等 [17]。為了提高馬氏體時效鋼的強度，Jiang 等 [18] 設計了一種基于最小晶格錯配的高密度納米沉淀超高強度鋼，其強度可達 2.2GPa，均勻伸長率 3.8%，斷后總伸長率為 8.2%。Jiang 等 [19] 報道了一種低合金成分的 2400MPa 超高強度鋼，均勻伸長率 7.7%，V 型缺口沖擊韌性為 29J/cm²，該鋼采用 “微合金化” 的合金成分設計以及淬火、深冷處理和低溫退火（Q-D-L）的簡單加工路線，以實現低成本制備。Niu 等 [20] 通過加入質量分數 6.6% 的 Mo 和 1.0% 的 Ti，控制時效過程中形成 Ni₃Ti 及富 Mo 析出相，實驗鋼抗拉強度達到了 2.5GPa。Li 等 [21] 開發了一種多級軋制（MR）工藝，使鋼具有高密度位錯、層狀組織、亞穩奧氏體和納米級析出相，通過上述機制的協同效應來生產超高強度的中碳馬氏體鋼改善拉伸性能，其極限抗拉強度和均勻伸長率高達 2.5GPa 和 12.6%。Wang 等 [22] 通過回火（淬火鋼的回火和變形）再加熱、水淬和低溫回火相結合，制備出一種具有超細晶粒的低合金高碳馬氏體鋼，鋼的極限抗拉強度達到 2.6GPa，伸長率達到 7%。He 等 [23] 在 18Ni 馬氏體時效鋼的基礎上，結合鍛造及熱處理工藝調整，實驗鋼抗拉強度達到了 2.7GPa，伸長率為 6%。耿如明等最近開發了一種高 Co、Ni、Mo 的馬氏體時效鋼（00Ni14Co15Mo9Ti 鋼），通過高溫大塑性變形細化晶粒，實現高位錯密度的板條馬氏體結構基體組織（平均晶粒尺寸為 0.47μm），并結合預拉伸變形及深冷 + 時效的熱處理工藝調控，制備出含有大量細小 Ni₃(Mo, Ti) 析出相（平均直徑為～10nm），鋼的抗拉強度達到超過 3GPa，斷后伸長率 5.5%，表現出了優異的強塑性如圖 1 所示。如圖 2 所示，利用析出強化、細晶強化及位錯強化的耦合強化機制，保證了鋼的超高強度，同時極細的亞微米級晶粒保證了材料良好的塑性。

超高強不銹鋼方面，在以富 Cu 相為析出強化相的 1300MPa 級不銹鋼 15-5PH [24]、以 NiAl 相為析出強化相的 1500MPa 級不銹鋼 PH13-8Mo [25]、以 Ni₃Ti 相為析出強化相的 1900MPa 級不銹鋼 Custom465 [26] 的基礎上，開發了以 M₂C 相為析出強化相的 1900MPa 級不銹鋼 FerriumS53 [27]、Co-Mo-W-V 系的 1900MPa 級超高強度不銹鋼 USS122G、以 M₂C 相和 Laves 相協同強化的 2100MPa 級不銹鋼 CF350 [28]。USS122G 超高強度不銹鋼顯微組織以板條馬氏體為主，包含少量奧氏體，其通過固溶處理后淬火得到馬氏體組織，通過時效處理從馬氏體基體中析出細小彌散的以金屬間化合物 Laves 相為主的第二相進一步提高鋼的強度 [29-30]。

CF350 是目前國際上強度級別最高的不銹鋼，如圖 3 所示，其超高的強度主要得益于時效過程中 M₂C 碳化物、金屬間化合物 Laves 相及由基體調幅分解產生的 α'Cr 相的析出強化作用，具有較好斷裂韌性（Kᵢc≥55MPa・m¹/²）[31]。

1.2 耐熱鋼及合金

近二十年來，隨著我國經濟高速發展和多項世界首臺套高端能源動力裝備工程建設，在我國自主研發的 G102 鋼基礎上，我國進入了自主耐熱材料發展新階段，一批新型耐熱鋼及合金牌號相繼發明。

在 “全流程選擇性冶金過程設計和選擇性強韌化設計” 觀點指導下，如圖 4 所示我國成功研發了用于 630~650℃的馬氏體耐熱鋼 G115 [32]，用于 650~700℃的固溶強化型鎳基耐熱合金 C-HRA-2®、C-HRA-3®，以及用于 700~750℃的析出強化型鎳基耐熱合金 C-HRA-1®，系統構建了我國 630~700℃超超臨界燃煤鍋爐耐熱材料體系。G115 鋼、C-HRA-2® 合金、C-HRA-3® 合金、C-HRA-1® 合金具有良好的高溫持久性能，如圖 5 所示。圖 6 為 G115 鋼管經 1100℃正火 + 760℃回火熱處理后在 650℃時效 8000h 后的顯微組織透射電鏡像，可見鋼中回火馬氏體板條仍然保持完整，G115 鋼具有非常穩定的基體組織 [33]。

針對 620~700℃超超臨界電站汽輪機轉子對耐熱材料與部件的需求，我國完成了 FB2 轉子鍛件的國產化研制 [34-35]；在 G115 鋼和 P92 鋼的基礎上，通過降低 W 含量，采用 W、Mo 復合添加，有效抑制粗大 Laves 相析出，提高持久強度和韌性，改善大鍛件成分偏析，采用 B 與 Zr 復合添加，提高晶界強化效果，同時配合高 B、低 N 成分設計，避免形成大尺寸 BN 夾雜物，提高韌性和疲勞性能，開發出了高溫持久強度、韌性、疲勞性能優異的 C630R 馬氏體耐熱鋼；在 617B 等合金基礎上，研發了 650、700℃超超臨界電站汽輪機轉子用 C650R 和 C700R 鎳基耐熱合金，數據表明這些新型材料具有良好的高溫持久性能，如圖 7 所示 [36]。

針對我國 CFR600 示范快堆蒸汽發生器對結構材料的需求，我國綜合蒸汽發生器設備高溫強度 - 硬度匹配、強度 - 韌性匹配、耐腐蝕性能、長期服役穩定性以及設備制造工藝性等多個方面要求，開展了適應于快堆服役環境的 2.25Cr1Mo 鋼成分與組織精細化控制研究，突破了主體結構材料強韌性的成分控制技術與組織粗細化調控技術。

1.3 不銹鋼

不銹鋼是產量最大的單一特殊鋼品種，近年來，氮合金化技術、多相組織調控技術不斷發展，提高了不銹鋼及合金的強韌性、耐蝕性和寬溫域適用性。

在氮合金化技術方面，氮的有益作用主要體現在提高強度、提高耐蝕性能，以及通過代鎳降低不銹鋼成本，在奧氏體不銹鋼中獲得大量應用 [37]。研究表明，如圖 8 所示，隨著鋼中碳和氮含量提高，奧氏體不銹鋼的室溫屈服強度可達到 600MPa 以上，抗拉強度達到 1000MPa，并且保持約 55% 的良好伸長率 [38]。但需要注意的是，如圖 9 所示，高氮條件下的不銹鋼韌脆轉變溫度也越高 [39]，含 w [N] 1.0% 的奧氏體不銹鋼在室溫條件下變脆。隨著加壓冶金技術的發展，不銹鋼中碳和氮含量加入上限不斷提高，目前，具備工業化生產的奧氏體不銹鋼中 w [N] 最高達到 0.9%，而雙相不銹鋼中最高約 0.5%（見表 1）。同時，氮通過抑制陽極溶解 [40]、促進再鈍化 [41]、提高鈍化膜穩定性與致密性 [42-43]、形成 NO₃⁻的絡合物或銨鹽 [44] 以及形成 NH₃或 NH₄⁺來提高局部 pH 值 [45] 等作用機制，提高不銹鋼的耐點腐蝕性能。

表 1 幾種典型的含氮不銹鋼牌號和化學成分 (質量分數) 

Table 1 Typical nitrogen-containing stainless steel grades and their chemical composition ranges（%）

類型	牌號	C	Mn	Cr	Ni	N	其他元素
奧氏體	022Cr17Ni7	≤0.03	≤2.0	16.0~18.0	5.0~8.0	≤0.2	-
	022Cr19Ni10N	≤0.03	≤2.0	18.0~20.0	8.0~11.0	0.10~0.16	-
	022Cr17Ni12Mo2N	≤0.03	≤2.0	16.0~18.0	10.0~13.0	0.10~0.16	Mo 2.0~3.0
	022Ni25Cr23Mo6N	≤0.03	≤1.0	22.0~24.0	24.0~26.0	0.17~0.22	Mo 5.0~6.0
	022Cr23Ni21Mo6N	≤0.03	≤1.5	20.0~23.0	22.0~24.0	0.21~0.32	Mo 6.0~6.8，Cu≤0.4
	022Cr24Ni17Mo5Mn6NbN	≤0.03	5.0~7.0	16.0~18.0	16.0~18.0	0.4~0.6	Mo 4.0~5.0，Nb≤0.1
	P550	≤0.06	≤1.5	19.0~20.5	23.0~25.0	0.5~0.6	Mo≤2.5
	P580	≤0.06	≤2.5	20.5~22.5	22.0~24.5	0.8~0.95	-
奧氏體 + 鐵素體雙相	022Cr22Ni5Mo3N	≤0.03	≤2.0	21.0~23.0	4.5~6.5	0.08~0.20	Mo 2.5~3.5
	022Cr25Ni7Mo4N	≤0.03	≤1.2	24.0~26.0	6.0~8.0	0.24~0.32	Mo 3.0~3.5，Cu≤0.5
	022Cr28Ni8Mo4CoN	≤0.03	≤1.0	26.0~29.0	5.5~9.5	0.3~0.5	Mo 4.0~5.0，Cu≤1.0，Co 0.5~2.0

多相組織調控技術方面，具有奧氏體 + 鐵素體組織的雙相不銹鋼具有比單一奧氏體組織更高的屈服強度的同時，仍然保持較好的塑性，且制造工藝和奧氏體鋼相近。進一步提高合金元素含量，開發出的超級和特超級雙相不銹鋼，具有更強的固溶強化效果 [46]。如，熱交換器管用 UNS S32707 材料的屈服強度達到 800MPa，抗拉強度達到 1000MPa，淬火熱處理態下的伸長率大于 25%；UNS S33207 在淬火熱處理狀態下的抗拉強度比超級雙相鋼 UNS S32750 高 20%。但雙相不銹鋼具有比奧氏體不銹鋼更為顯著的韌脆轉變行為，Song 等 [47] 研究認為雙相不銹鋼低溫韌性和兩相比例、鋼中第二相密切相關。Feng 等 [48] 通過對雙相不銹鋼等溫處理中的組織演變研究發現，低溫沖擊韌性的各向異性和鋼中非等軸晶粒比例有關。在疲勞載荷條件下，雙相不銹鋼中塑性變形主要發生在奧氏體內，微裂紋易形核于奧氏體區域并沿相界向外拓展，引發疲勞斷裂 [49-50]。Feng 等 [51] 在對 022Cr25Ni7Mo4N 雙相不銹鋼腐蝕行為的研究中發現，兩相陽極活化電位差是導致雙相不銹鋼選擇性腐蝕的主要原因，該電位差與兩相 PREN 差值正相關。另外，He 等 [52] 對 17Cr1Ni3Mn0.12N 鋼的研究發現，如圖 10 所示，利用非穩態奧氏體結構及其 TRIP 效應，可獲得鐵素體、馬氏體和奧氏體三相并存的組織結構，為新型不銹鋼的設計開發提供了新的思路。

1.4 合金結構鋼

合金結構鋼是特殊鋼中量大面廣的材料，廣泛應用于汽車、機械、軌道交通、國防等領域，其發展需要超高質量、超高性能，同時還需要兼顧工藝性能、使用性能，以及綜合成本。

針對齒輪鋼質量穩定性問題，He 等 [53] 分析了 Cr-Ni-Mo 系汽車齒輪鋼質量穩定性水平，淬透性帶寬可以穩定控制在 4HRC 以內、截面 w [C] 極差可以控制在 0.02% 以內。不過，20CrMnTiH 齒輪鋼冶金質量容易波動、控制難度大，隨著下游行業過分要求材料低成本化，20CrMnTiH 齒輪鋼的使用范圍擴大，特別是新能源汽車齒輪啟動轉速大、服役條件苛刻，潛在風險需要關注。針對齒輪鋼的服役安全性，系統研究了氧含量 [54]、夾雜物 [55]、滲層殘余奧氏體 [56]、以及不同滲碳方式 [57] 等對疲勞性能的影響規律，發現齒輪鋼疲勞性能影響因素多，其中夾雜物尺寸會影響疲勞裂紋啟裂，而殘余奧氏體會影響疲勞裂紋的擴展。圖 11 所示為 17Cr2Ni2MoVNb 齒輪鋼在高循環應力下低壓滲碳（LPC）試樣的疲勞壽命遠高于氣體滲碳（GC）試樣，主要原因是較多殘余奧氏體發生轉變阻礙疲勞裂紋擴展 [57]。

高溫低壓滲碳作為一種環保和高效的熱處理方法，日益得到廣泛應用。含鈮齒輪鋼高溫滲碳優勢突出 [58]，針對含鈮齒輪鋼高溫滲碳過程中鈮的溶解析出問題，Yan 等 [59] 研究獲得了一種適合不同碳含量鋼的全新的 [Nb][C] 溶解度積公式，如圖 12 所示，對于通過鈮微合金化來改善滲碳等工藝性能具有很好的指導意義。

在改善合金結構鋼的工藝性能和服役性能等方面也開展了大量探索工作。Lv 等 [60] 研究了 Al 含量對 42CrMo 鋼相比規律和淬透性的影響，發現固溶 Al 可有效提高 42CrMo 鋼的淬透性，為大尺寸高強度螺栓鋼的開發提供了一種低成本的技術思路。Liu 等 [61] 研究了稀土 Ce 對非調質鋼中硫化物特征及微觀組織的影響，發現系統 Ce 可有效改變硫化物形態，從而為非調鋼的加工性能改善和使用性能提高奠定了基礎。Yu 等 [62] 等研究了 2000MPa 級高強度彈簧鋼的超高周疲勞特性，發現即使尺寸在十幾微米的夾雜物也有可能作為疲勞裂紋源，因此，為超高強度彈簧鋼的冶金質量控制提供了理論依據。針對耐高溫合金結構鋼，Li 等 [63] 研究了 25CrMo3NiTiVNbZr 二次硬化鋼的高溫強化機理，發現碳化物發揮了重要作用；Liang 等 [64] 研究了 NiAl 和 Cu 在 40CrNi3MoV 鋼中的析出行為及其對力學性能的影響，為耐高溫鋼合金結構鋼提供了復合強化新思路。

在合金結構鋼超高強度板材方面，Xie 等 [65] 研究了回火溫度對 2300MPa 級超高強度鋼板的組織及力學性能的影響，發現通過復合微合金化可以獲得超高強度的同時，保持較高的塑韌性。Lv 等 [66] 則針對超高強度鋼板的服役安全性，研究了其氫脆敏感性，發現通過細化晶粒和引入氫陷阱，如圖 13 所示，超高強度鋼在氫含量為 0.35×10⁻⁶條件下可以無塑性損失，氫脆敏感性遠低于通常 1500MPa 的 SCM435 鋼。Shi 等 [67] 研究了氫對高強度鋼的裂紋擴展速率的影響，發現提高鋼中 Mo 含量能顯著降低氫促進裂紋擴展的作用，從而為高強度鋼的抗氫性能提升提供了理論支撐。

1.5 工模具鋼

工模具是制造業不可或缺的基礎工裝裝備。近年來，我國基于通用型 H13 熱作模具鋼的等向性、帶狀偏析等的影響機制和物理冶金機理深入研究，自主設計開發出熱作模具鋼等向性提升集成技術；開發了低 Si、低 V 類熱作模具鋼的球化退火及碳化物均勻化控制技術，解決了退火組織不均勻的難題；開發了高品質壓鑄模具鋼系列化品種，實物質量達到國際先進水平，應用于高檔汽車變速器殼體模具的使用壽命達到 12 萬模次，實現了高端品種的批量進口替代，并通過日本愛信、豐田及本田認證 [68]。針對快速發展的新能源汽車一體化壓鑄技術所需的特大型壓鑄模具鋼，我國開展了材料優化設計、超純凈冶煉工藝優化、熱加工變形工藝模擬及鍛造工藝優化、超細化處理工藝等技術開發，成功開發了試制了特大型一體化壓鑄模具鋼，DCK20 超大型一體化模塊截面尺寸達到 730mm×1000mm，心部橫向沖擊韌性≥30J，相比于 H13 和 DAC-i 鋼，DCK20 鋼具有更優異的高溫熱穩定性 [69-70]，如圖 14 所示。采用 20t 電弧爐 + LF 精煉 + VD 脫氣、20t 氬氣保護電渣爐重熔、1250~1280℃高溫均質化處理、60MN 油壓快鍛機多向鍛造及 1000~1050℃高溫固溶組合技術，我國生產的 640mm×1100mm 規格 4Cr5Mo2V 大型模具鋼的非金屬夾雜物實現≤0.5 級，橫向沖擊功 KV₂提高到 40J 以上，并開發出了真空自耗 YGDAV 壓鑄模具鋼產品 [71]。

連鑄工藝是特殊鋼制備的流程簡化、效率提升、質量穩定性改善、單線產能提升的重要工藝路線。我國在低合金塑料模具鋼、中碳中合金熱作模具鋼及少量低碳高合金耐蝕塑料模具鋼部分品種實現了模具鋼產品的連鑄工藝生產。在高速鋼、冷作模具鋼等高碳高合金萊氏體鋼產品的連鑄工藝技術方面，我國通過 90t EBT-LF-VD-150mm×630mm 連鑄矩形坯和一火加熱 + 15 道次軋制成材的短流程工藝，成功開發 Cr12MoV 鋼矩形連鑄坯及軋制 19mm 厚扁鋼產品 [72-73]。

1.6 軸承鋼

軸承鋼是制造軸承的主要材料，需要具有高的冶金質量、優異的抗疲勞性能和良好的耐磨性能，同時要滿足軸承的耐溫、耐蝕和無磁等各種不同應用要求，以滿足礦山機械、精密機床、冶金設備、重型裝備、汽車、風力發電、高速鐵路及航空航天等行業裝備需求。雖然占軸承鋼產銷量 85% 的 GCr15 鋼主體成分一直沒有變化，但以日本 Sanyo 和瑞典 Ovako 為代表的國外軸承鋼企業，通過爐外精煉實現了 GCr15 鋼 w [O]≤6×10⁻⁶和夾雜物≤1.0 級，接觸疲勞壽命達到了 L₁₀=1.0-2.0×10⁷次接觸疲勞壽命水平。在純凈度更高的 EP 軸承鋼和 IQ 軸承鋼產品方面，日本和瑞典引領了高端軸承鋼發展 [74-75]。

近年來，我國開展了軸承鋼的抗疲勞基礎理論、超純凈化學冶金關鍵技術、超細化物理冶金技術等系統研究，初步完成了抗疲勞因素與裂紋擴展的模擬與定量研究，構建了多因素、多尺度的軸承鋼抗疲勞結構單元模型，形成了夾雜物、碳化物、晶粒尺寸與外加應力等多因素耦合關系式，奠定了新一代長壽命軸承鋼研發的化學冶金與物理研究理論基礎。通過超純凈控制的化學冶金技術研究，實現了 w [O]≤5×10⁻⁶、w [Ti]≤10×10⁻⁶、夾雜物≤0.5 級等超純凈控制，GCr15 鋼和 G20CrNi2Mo 鋼分別為 L₁₀≥1.0×10⁷次和 L₁₀≥7.0×10⁷次等優異性能，應用到了時速 350Km/h 以下的高鐵軸承。采用夾雜物容忍的物理冶金技術思路，發明了新型雙細化熱處理、表面超硬化熱處理和大原子冶金等抗疲勞組織性能調控技術，實現了夾雜物不變前提下疲勞壽命提升≥5 倍，GCr15 鋼和 G20CrNi2Mo 鋼接觸疲勞壽命分別提升至 L₁₀≥5.0×10⁷次和 L₁₀≥1.0×10⁸次。我國采用新一代長壽命軸承鋼全流程集成技術，實現了 GCr15 鋼和 G20CrNi2Mo 鋼等接觸疲勞壽命均達到了 L₁₀≥1.0×10⁸次，完成了 350Km/h 高鐵軸箱軸承等高端軸承的制造與驗證，也為高端機床與機器人軸承用軸承鋼奠定了材料及其技術基礎 [76-79]。

圖 15 (a) 給出了新一代軸承鋼 GCr15 相對傳統連鑄、電渣和雙真空軸承鋼的優異抗疲勞性能，顯示出超純凈化學冶金技術外的超細化物理冶金對提升軸承鋼疲勞壽命的重要作用 [79-80]。圖 15 (b) 給出了直徑 60、120mm 新一代軸承鋼和傳統軸承鋼 GCr15 的疲勞壽命測試結果，表明新一代軸承鋼具有更加優異的接觸疲勞性能。新型碳化物與原始奧氏體雙細化和表面超硬化等軸承鋼物理冶金技術還可以實現高溫軸承鋼 M50 和 M50NiL 應等疲勞性能改善，證明了雙細化技術在提升軸承鋼疲勞壽命方面的普適性，奠定了傳統軸承鋼質量性能提升的發展方向。

在極限性能軸承材料研究方面，針對傳統軸承鋼耐溫性能、耐蝕性能、抗疲勞性能以及輕量化技術不足，近 30 年來國外開展了耐 500℃的超高強不銹軸承鋼 CSS-42L、優異耐蝕性軸承鋼 Cronidur30 以及超長疲勞壽命的粉末冶金軸承鋼 PM62、優異耐溫耐蝕和輕量化材料 NiTi60 等創新研發。德國通過加壓電渣冶煉的 Cronidur30 鋼，具有優異的耐蝕性能和抗接觸疲勞性能，是目前集耐蝕和抗疲勞一體的冠軍鋼種；美國 CSS-42L 超高強不銹軸承鋼，滲碳后可實現表面硬度 69HRC 和室溫疲勞壽命 L₁₀≥1.0×10⁸次和 500℃下接觸疲勞壽命 L₁₀≥2.0×10⁷次，是 M50 和 M50NiL 的 5 倍以上；美國 PM62 粉末冶金軸承鋼，具有熱處理后硬度超過 67HRC 和 200℃下 L₁₀≥7.0×10⁷次的接觸疲勞壽命，已經廣泛應用于大型醫療 CT 機高溫 X 射線管。美國開發的 NiTi60 軸承合金，具有低密度、無磁、耐蝕和抗疲勞優異綜合性能，被稱為下一代軸承材料。近年來，我國突破了新型加壓電渣冶煉工藝技術難題，研發出系列化高氮馬氏體不銹鋼，取得了合金化設計、加壓冶煉增氮控氮技術、納米第二相抗疲勞技術以及梯度組織性能調控技術等成果。如圖 16 所示的 CSS-42L 具有優異的室溫與高溫抗疲勞性能以及 Cronidur30 的優異耐蝕性能。通過碳化物和基體組織細化技術，可實現大顆粒碳化物≤10μm 和晶粒尺寸≤5μm，PM62 可獲得優異的室溫及高溫疲勞性能，實現 4.5GPa 赫茲應力和 200℃下接觸疲勞壽命達到 M50 的近 20 倍和 CSS-42L 的 3 倍以上，揭示了粉末冶金技術在長壽命軸承鋼研發方面的重大潛力。

1.7 特殊鋼增材制造

增材制造過程制粉及打印多步驟中通常會引起氧含量的增加，極大影響鋼鐵材料韌性，是特殊鋼材料增材制造的重大挑戰之一。近年來，以航天工程用增材制造超低溫高強不銹鋼研發為依托，我國在增材制造氧化物無害化及非平衡特征組織的強韌化方面取得突破。利用 Ti-Zr-Al 復合微合金氧化物內生法改性技術，在相同增材制造條件下，高強不銹鋼氧化物尺寸由平均 60~100nm 細化至 20~40nm，增材制造材料 - 196℃低溫韌性值由約 40J 提升至約 80J，沖擊功提高接近 100%。增材制造材料強韌性實測值與鍛件性能相匹配，遠超鑄件性能，實現了 1200MPa 級（室溫屈服強度）增材制造超低溫不銹鋼力學性能的新突破，國際上尚無相關報道。同時，我國首次提出了化學異質亞穩奧氏體調控原理和工藝方法，實現了高強度馬氏體時效不銹鋼強度和韌性的雙提升，并打通了包括尺寸精度、粗糙度、熱處理等一系列增材制造復雜結構控形控性工藝。

我國提出了一種利用激光粉末床熔合原位合金化技術設計和制造低密度超高強度鋼（LD-UHSS）的方法。該技術通過激光增材制造過程中的原位冶金反應，有效控制材料的化學成分和組織結構，從而顯著提高鋼的強度和延展性，開發的 LD-UHSS 不僅具有優異的力學性能，還解決了傳統低密度鋼成形性和可焊性差的問題，為汽車和航空航天部件的輕量化設計提供了新的材料選擇。

增材制造作為一種近凈成型技術，可實現工模具的隨型冷卻制造，大幅提高冷卻效率和產品的表面質量，同時，也能夠對組織和成分進行精細調控，進而提高刀具切削效率、解決模具制品翹曲變形難題，近年來已發展為高端刀具、模具制造的新興技術之一。國內針對增材制造工模具鋼專用材料及粉末床熔融等先進制備工藝開展了研發工作，目前在增材制造壓鑄模具、塑料模具中取得應用，并且應用量在逐步增加 [81-82]。

2、先進特殊鋼在國家重大工程中的應用進展

面向戰略性新興產業和高端裝備國家重大戰略需求，依托國家產業政策和科技專項布局，通過構建 “需求牽引 - 理論指導 - 技術攻關 - 應用驗證” 的全鏈條研發體系，我國已在多個戰略領域實現核心部件用鋼的國產化替代，顯著提升了重大裝備的可靠性與競爭力。

2.1 航空航天裝備

低壓渦輪軸是航空發動機傳遞扭矩的核心關鍵部件，是整個發動機的核心 “脊梁”。其特征是大長徑比、變截面、薄壁，結構復雜，工作時需要承受高載荷、高扭轉、高疲勞等復雜工況，要求低壓渦輪軸材料具有高靜強度、抗扭轉強度和抗疲勞性能。大涵道比渦扇發動機涵道比越來越高、推力越來越大，發動機對低渦軸材料性能要求也不斷提高，國際上低渦軸主干材料也逐漸由第三代的超高強度馬氏體時效鋼發展到第四代的高扭轉疲勞性的復合二次硬化型超高強度鋼，通過材料技術的提升解決了扭矩增大后低壓渦輪軸剛度不足、振動、葉片斷裂瞬時超大扭矩等問題，如美國 GE1014、法國 ML340 低渦軸材料，并已裝備世界上最先進的 GEnx、GE9X、瑞達 1000、GP7200 等發動機。針對 CJ1000、CJ2000 商用發動機低壓渦輪軸更新換代需求，鋼研總院自主研發了新一代 2000MPa 以上抗應變疲勞低渦軸材料，并形成了我國新一代 2000MPa 級復合強化二次硬化超高強度鋼材料體系，研發的 SF1900 鋼、SF2000 鋼達到了國外同類第四代低渦軸材料水平。同時，我國突破了低壓渦輪軸一火次雙工步一體化擠壓成形技術，擠壓成形的鍛件一火次整體變形，各部位變形充分、均勻，組織一致性良好，表面質量優良，批次穩定性好，材料利用率高，鍛件內部纖維組織沿零件外形分布而不被切斷，從而提高了零件的綜合力學性能，大幅度縮短了鍛件的生產周期，標志著我國大型航空發動機軸鍛件長壽命近凈成形技術躋身世界前列。

300M 鋼是我國 C919 大型客機起落架主體材料。鋼研總院、寶武特冶、撫順特鋼團隊按照 “國際標準、國際工藝、國際質量、國際成本、國際認證” 技術原則，先后突破了 300M 鋼 40t 爐超純凈冶煉技術、大規格電極澆鑄技術、ϕ810mm 和 ϕ920mm 錠型真空自耗均勻化熔煉技術、ϕ400mm 超大尺寸棒材精細組織鍛造技術，填補了國內空白，實現和支撐了大型客機用 300M 鋼的 “中國制造”。面向國產大飛機 C919 對材料安全可靠性和經濟性要求，首次提出面向安全服役的長壽命冶金技術準則、發明了面向經濟性要求的 “活度熔池” 單真空冶金技術、提出了鍛造火次間組織遺傳穩定控制的 “梯溫鍛造” 技術方法、創建了面向冶金全流程的 “四可” 質量控制技術體系，連續 400 批核心性能抗拉強度 Cv 值≤1%，完成了大型客機起落架用低成本超高強度 300M 鋼研制，單真空 300M 鋼超大規格棒材已列入中國商飛公司起落架系統供應商德國利勃海爾公司合格產品目錄（QPL），實現了在 C919 飛機上的產業化應用。

火箭貯箱是可回收、返回式火箭的重要部件，美國星艦采用 30X 高強高耐蝕低溫不銹鋼代替鋁鋰合金，實現了 3~4 美元 / 公斤的原材料低成本控制。我國藍箭航天公司發布了朱雀三號可重復使用液氧甲烷運載火箭，是中國首款不銹鋼液體運載火箭，其貯箱結構采用高強度不銹鋼材料。航天一院在 2025 年研制出國內首個 10m 級直徑不銹鋼貯箱樣機。

2.2 超超臨界火電裝備

超超臨界發電技術在高效率、低能耗、綠色低碳等方面，具有相對于傳統發電技術的明顯優勢，并在吸納光電、風電新能源、助力電網 “削峰填谷” 方面具有不可替代的作用，是我國重要的 “基荷能源”。經過連續 15 年的布局研發，我國超超臨界燃煤火力發電技術已經走在世界前列，正在建設的世界首臺 630℃二次再熱超超臨界機組熱效率超過 50%，發電煤耗低至 245.7g/(kW・h)，處于全球先進水平。

在傳統火電機組用耐熱鋼材料基礎上，我國開發的系列新型耐熱鋼材料和工程化有力支撐了我國超超臨界發電技術的進步。針對現階段最高參數 620℃/630℃/630℃的大唐鄆城國家電力示范項目，我國研發出全球首發的世界上唯一可工程用于 630~650℃溫度范圍的成熟新材料 G115 鋼替代傳統的 P92 鋼，同時形成了馬氏體耐熱鋼成分設計技術、高 Cr 馬氏體耐熱鋼熱擠壓技術、高 Cr 馬氏體耐熱鋼強韌化熱處理技術等多項關鍵技術。G115 鋼不僅為更高參數火電機組建設提供關鍵支撐材料，而且具備應用于化工工程、煤化工、四代核電、新能源、固體氧化物燃料電池等領域的條件。我國還發明了 630~650℃超超臨界汽輪機轉子新材料 C630R、C650R，研制出世界首支 1∶1 高壓轉子鍛件，性能優于國外同類產品。目前支撐性主體材料 G115 和 C630R 高壓轉子鍛件已在大唐山東鄆城國家電力示范項目實現工程應用。

面向未來，我國正在開展 650、700℃超超臨界機組的設計和研發，我國鋼鐵業也在進行新型耐熱材料的研發工作，已完成了 C-HRA-1、C-HRA-2、C-HRA-3 等材料的工程化試制，C-HRA-3 和 C-HRA-1 鍋爐管已用于華能集團建設的我國第一個 700℃超超臨界燃煤電站實驗臺架，逐步打造出我國自主超超臨界電站耐熱鋼材料體系，打破能源行業關鍵耐熱材料長期依賴進口局面，推動能源產業鏈碳減排。

2.3 可控核聚變工程裝備

可控核聚變是人類未來的終極能源，聚變工程對包括特殊鋼在內的材料提出重大挑戰。在國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃建設中，日本設計開發了改進型 316LN、JK2LB 和 JJ1 等奧氏體不銹鋼作為超低溫結構材料，克服了傳統的 304、310、316 等 Fe-Ni-Cr 系奧氏體不銹鋼低溫強度不足的問題，JK2LB 已用于 ITER CS 鎧裝電纜導體鎧甲，JJ1 則用于 TF 線圈盒關鍵結構，美國和歐洲等聯合制備了 5 噸級 Nitronic50 鍛件，應用于 ITER CS 超導線圈預緊結構。我國在參與 ITER 項目、聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施的過程中，基本掌握了 316LN、JJ1 等不銹鋼的工程制備技術，并開展了 316LN、JJ1 材料焊接工藝研究，通過了 ITER IO 組織認定。

在我國全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）建設過程中，鋼研總院聯合中國科學院等離子體所等單位開發了具有我國自主知識產權的 CHSN01 超低溫高強韌無磁鋼，其中，-269℃下屈服強度≥1500MPa、抗拉強度≥1800MPa、伸長率 > 30%、Kᵢc≥180MPa・m¹/²，與 ITER 項目使用的 316LN 不銹鋼相比，其強度提升了約 40%、塑韌性相當，實現了百噸級的批量應用，引起法國原子能委員會（CEA）、德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）等國際頂尖機構的高度關注。

2.4 海洋油氣工程裝備

海洋油氣是近年來我國油氣增儲上產的主力。海洋油氣工程中的鉆井系統（鉆桿、套管、立管）、水下生產系統（水下井口及采油樹、管匯及連接、水下控制及臍帶纜、水下增壓分離）、輸送管線等裝備制造用材大量采用高性能不銹鋼、耐蝕合金或特種合金 - 碳鋼復合材料，美國 SMC、Haynes、Carpenter、ATI，德國 V&M，日本新日鐵 - 住金，瑞典 Alleima 等是全球海洋油氣工程裝備用特殊鋼的領先企業。

近年來，在中國海油的大力推動下，我國鋼鐵企業在海洋油氣工程裝備用特殊鋼材料開發和應用方面取得了重大突破。針對水下生產系統用臍帶纜，我國突破了臍帶纜鋼管用雙相不銹鋼耐蝕與強韌性匹配、超長小口徑薄壁不銹鋼厚度穩定性控制和盤管制造等關鍵技術，實現了高強韌高耐蝕超長臍帶纜鋼管和臍帶纜部件國產化，開發的 ϕ14.7mm×1mm 雙相不銹鋼管室溫屈服強度達到≥690MPa，國產鋼管臍帶纜在我國恩平 15-1、流花 11-4/1 等油氣田實現工程示范應用。針對定向鉆采用無磁鉆鋌，我國突破了無磁鋼高純冶煉及等溫變形工藝技術，開發的高強高塑無磁不銹鋼應力腐蝕壽命 > 1000h，國產無磁鉆鋌在渤海塘沽和南海深圳作業井完成了下井實鉆試驗和應用，累計使用時間超過 2900h。

3、先進特殊鋼發展趨勢

3.1 更高強度化

高強度鋼鐵材料的開發是推動工程裝備結構輕量化、高性能化的重要途徑。在理論創新方面，德國馬普研究所創新提出 “馬氏體拓撲學結構設計 + 亞穩相調控” 協同增塑新機制，打破了超高強鋼對復雜制備工藝和昂貴合金成分的依賴，通過在變形過程中誘發板條界面位錯滑移、界面塑性和相變誘發塑性等多種增強增塑機制，實現了 2000~2400MPa 抗拉強度和 18%~25% 均勻伸長率的低成本 C-Mn 系新型超高強鋼制備；西安交通大學聯合香港城市大學提出了一種 “短程有序界面 + 超納析出相” 創新納米結構，制備出了具有 2600MPa 抗拉強度和 10% 均勻伸長率的合金，為超高強塑材料開辟了新道路。在超高強度鋼領域，基于二次硬化理論，美國卡朋特公司在 1930MPa 的 AerMet100 鋼、2170MPa 的 AerMet310 鋼、2340MPa 的 AerMet340 鋼的基礎上，開發了 2560MPa 損傷容限超高強度鋼 AerMet360，推動了航空航天主干承力構件的不斷發展。

3.2 結構功能一體化

鋼鐵材料結構功能一體化，即結構材料兼具耐高溫、抗輻照、耐腐蝕、低磁 / 無磁、減振降噪等功能化特性，是推動材料多場景適用和工程裝備跨越發展的重要方向。在強度 - 耐蝕一體化方面，美國將采用了無 Co 超低碳合金體系 + NiAl/Ni₃Ti 復合強化技術的 MLX17 和 MLX19 不銹鋼列入 MMPDS 主干材料，在保證高強度的同時具有高的抗腐蝕損傷性能和良好的焊接性能，用于空客大型飛機的起落架部件和緊固件制造，提高了飛機壽命和使用安全性。在耐高溫 - 抗輻照 - 耐腐蝕一體化方面，為了滿足未來 5~10 年鈉冷快堆、高溫氣冷堆商業化和鉛鉍堆等四代核能快速發展，在運行溫度高于 450℃并多采用液態金屬作為冷卻劑或慢化劑設計條件下，所需鋼鐵材料性能由三代堆的耐高溫水腐蝕演進到兼具耐高溫、抗輻照與耐液態金屬腐蝕性能的 Fe-Ni-Cr 或 Ni-Cr-Mo 型鎳基和鐵鎳基合金。在抗低溫 - 無磁一體化方面，在可控核聚變實驗堆、深海油氣鉆探工程建設背景下，需要開發具有高的低溫強度，并兼具低磁導率的超低溫高強韌無磁特種合金材料、無磁奧氏體不銹鋼等材料。

3.3 高效低成本制造

在全球 “雙碳” 和稀有資源約束背景下，采用低成本設計和高效制造的鋼鐵材料成為推動量大面廣的工業和民用下游領域快速發展的重要動力。在成分設計方面，如韓國大宇造船在世界上首次將高錳鋼替代 9% Ni 鋼用于 LNG 動力超大型油輪的燃料箱建造，成本為 9% Ni 鋼的 1/3；以錳、氮代鎳技術持續推動我國 Cr-Mn-Ni-N 系不銹鋼快速發展，新發布的《不銹鋼 牌號及化學成分》國家標準中納入的高 Mn 高 N 牌號已達到 35 個。在低成本制造方面，如開發高合金耐熱鋼管連鑄 - 電渣 - 擠壓 - 穿孔低成本高質量制造技術，以滿足未來超超臨界火電、百萬千瓦核電、燃氣輪機對新型高合金耐熱鋼及合金批量應用需求等。在高效制造方面，如一體化近凈成型技術使航空發動機和傳動系統動力軸制備周期縮短 30%，可以實現產能提升 100% 以上，具有廣闊的工程化應用前景。

4、建議與展望

強化前沿基礎研究與原始創新，突破材料性能極限

未來應持續加大對特殊鋼材料基礎理論研究與前沿技術的投入。重點聚焦于多尺度結構調控（如納米析出相、晶界工程、亞穩相設計）、材料基因工程（利用高通量計算與機器學習加速成分 - 工藝 - 性能優化）以及極端環境使役行為（如超高溫、超低溫、強輻照、復雜應力耦合環境）等方向。旨在突破現有材料強度 - 韌性 - 耐蝕性的制約關系，實現更高性能（如 3500MPa 級以上超高強度、700℃以上耐熱等級）新材料的原始創新，為未來空天探索、第四代核能、深海開發等領域提供前瞻性材料解決方案。

強化國家戰略科技力量引領，構建跨產業鏈協同創新體系，推動高端應用與全面國產化

建議以先進特殊鋼全國重點實驗室等國家戰略科技力量為核心平臺，系統性組織跨學科、跨領域的協同攻關，聚焦航空發動機、深海裝備、超超臨界機組等極端工況部件材料應用研究，重點開展材料 - 工藝 - 部件一體化研發，突破高純凈冶煉、近凈成形、智能化熱處理等關鍵工藝的工程化與穩定性控制瓶頸。強化實驗室對產業技術的輻射與帶動作用，推動更多高端品種實現在寬體客機、700℃超超臨界電站、聚變堆等重大工程中的全面驗證與規模化應用，實現從技術突破到產業應用的高效轉化，全面提升產業鏈供應鏈韌性與安全水平。

踐行綠色低碳與可持續發展戰略，實現產業轉型升級

面對全球 “雙碳” 目標與資源約束，大力發展以全生命周期評價為導向的生態設計，推廣短流程工藝、廢鋼高效利用、氫冶金等低碳冶煉技術。積極開發低合金化、低成本、長壽命的新鋼種，減少對稀缺合金元素的依賴。同時，推動數字化與智能化轉型，通過工業互聯網、大數據和人工智能技術優化制造流程，建立覆蓋全流程的數字化質量追溯與預測體系，提高成材率與能源效率，降低生產成本與碳排放，努力構建資源節約、環境友好、具有國際競爭力的現代特殊鋼產業體系，支撐國家制造業的綠色可持續發展。

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（注，原文標題：我國先進特殊鋼材料技術與應用進展）

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