本發明涉及超高強度鋼技術，特別是一種復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼及制造方法，通過在鐵基中添加合金元素ni、co、w、cr、mo、al、cu、c和re，并設置c原子個數與cr、mo、w原子個數和之比為1:1.8～2.2，以及形成復合析出相，所述復合析出相包括二次硬化m2c析出相、馬氏體時效nial析出相和沉淀硬化cu析出相，能夠突破現有超高強度鋼的強韌化極限，從而有利于滿足發動機殼體、飛機起落架、防彈鋼板等領域對超高強度鋼持續增長的輕量化和安全使用要求。

　　背景技術：

　　超高強度鋼是強度和韌性匹配要求最高的材料之一(屈服強度大于1380mpa或者抗拉強度1470mpa)，該類鋼種的冶煉、熱處理、加工、服役與失效等各個環節涉及的都是最基礎、最前沿、最先進的理論和工藝。美國在超高強度鋼領域領先，目前全世界用量廣泛的超高強度鋼，大部分來自于美國，如300m，aermet系列，m54等鋼，其中aermet340鋼的抗拉強度是2370mpa，延伸率9.5％，該鋼是目前強韌化水平最高的鋼種。我國對超高強度鋼的研究也從未停歇，2017年我國科學家創新性提出利用高密度共格納米析出相來強韌化的合金設計思想，通過熱處理調控，研發出了強度級別為2200mpa的新一代超高強鋼，該成果在《nature》期刊上發表。同年，北京、香港、臺灣等地的大學科研人員合作，以中錳鋼為研究對象，通過變形-配分處理，研制出了強度為2200mpa，均勻延伸率16％的超高強度鋼，該成果在《science》上發表。該文章創新地提出高位錯密度可以同時實現提高強度和塑性的機理，突破了經典理論中認為高位錯密度會提高強度，降低塑韌性的認知，對材料強韌化理論和方法有指導作用。但這兩項研究成果僅限于實驗室，未能工業化生產和應用。

　　在應用方面，超高強度鋼大量應用于飛機發動機殼體、飛機起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領域，而且其使用范圍正在不斷地擴大到建筑、機械制造、車輛和其他軍用及民用裝備上。可以說超高強度鋼是國防軍工各領域和重大裝備制造的重要材料，也是其它鋼鐵材料發展的重要技術基礎。所以超高強度鋼也是衡量一個國家特殊鋼產業發展水平的重要標志，是特殊鋼的金字塔尖的明珠。

　　按合金元素總量，超高強度鋼可分為低合金、中合金和高合金超高強度鋼。高合金超高強度鋼又可分為二次硬化鋼、馬氏體時效鋼和不銹鋼。目前這幾類超高強度鋼強化方式采用單一析出相類型強化。單一析出相類型強化易于導致析出相彌散度較小，韌性偏低等問題。本發明人認為，采用二次硬化鋼的強化相m2c、馬氏體時效鋼的強化相nial和沉淀硬化不銹鋼的強化相cu，為復合析出相以強化超高強度鋼，能夠基于高密度共格納米析出相來強韌化的合金設計思想，設計并工業化制備出2500mpa級超高強度鋼。有鑒于此，本發明人完成了本發明。

　　技術實現要素：

　　本發明針對現有技術中存在的缺陷或不足，提供一種復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼及制造方法，通過在鐵基中添加合金元素ni、co、w、cr、mo、al、cu、c和re，并設置c原子個數與cr、mo、w原子個數和之比為1:1.8～2.2，以及形成復合析出相，所述復合析出相包括二次硬化m2c析出相、馬氏體時效nial析出相和沉淀硬化cu析出相，能夠突破現有超高強度鋼的強韌化極限，從而有利于滿足發動機殼體、飛機起落架、防彈鋼板等領域對超高強度鋼持續增長的輕量化和安全使用要求。

　　本發明技術方案如下：

　　一種復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，其特征在于，包括鐵基組織，所述鐵基組織中分布有合金化元素和不可避免的雜質元素，所述合金化元素包括鎳ni，鈷co，鎢w，鉻cr，鉬mo，鋁al，銅cu，碳c和稀土re，所述c原子個數與cr、mo、w原子個數和之比為1:1.8～2.2，所述不可避免的雜質元素包括硫s和磷p，所述鐵基組織中分布有復合析出相，所述復合析出相包括二次硬化m2c析出相、馬氏體時效nial析出相和沉淀硬化cu析出相，所述m2c中的m為所述合金化元素中的金屬原子。

　　所述m2c析出相的尺度不大于90nm，所述nial析出相的尺度不大于15nm，所述cu析出相不大于20nm。

　　所述鐵基組織的微觀組織為馬氏體+貝氏體+少量殘余奧氏體，所述貝氏體體積分數不大于15％，所述少量殘余奧氏體的體積分數不超過10％。

　　一種復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，其特征在于，包括以下化學元素及其重量百分比含量：鎳ni＝10.00～16.00，鈷co＝9.00～15.00，鎢w＝1.0～2.0，鉻cr＝0.90～1.90，鉬mo＝1.20～1.80，鋁al＝0.80～1.60，銅cu＝0.60～1.20，碳c＝0.24～0.3，稀土re＝0.0055～0.0150，其余為鐵fe及不可避免的雜質，所述c原子個數與cr、mo、w原子個數和之比為1:1.8～2.2，所述不可避免的雜質包括磷p和硫s：所述p≤0.010，所述s≤0.008。

　　所述2500mpa級超高強度鋼是將冶煉得到的鋼錠通過鍛造成型后通過調質熱處理制備而成。

　　所述冶煉包括真空感應熔煉和真空自耗重熔。

　　所述2500mpa級超高強度鋼的微觀組織為馬氏體+貝氏體+少量殘余奧氏體，所述貝氏體體積分數不大于15％，所述少量殘余奧氏體的體積分數不超過10％。

　　所述2500mpa級超高強度鋼的微觀組織中分布有復合析出相，所述復合析出相包括二次硬化m2c析出相、馬氏體時效nial析出相和沉淀硬化cu析出相，所述m2c中的m為所述合金化元素中的金屬原子，所述m2c析出相的尺度不大于90nm，所述nial析出相的尺度不大于15nm，所述cu析出相不大于20nm。

　　一種復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：通過真空感應熔煉和真空自耗重熔的冶煉得到鋼錠后，再通過鍛造成型后通過調質熱處理制備出復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，所述超高強度鋼具有以下化學元素及其重量百分比含量：鎳ni＝10.00～16.00，鈷co＝9.00～15.00，鎢w＝1.0～2.0，鉻cr＝0.90～1.90，鉬mo＝1.20～1.80，鋁al＝0.80～1.60，銅cu＝0.60～1.20，碳c＝0.24～0.3，稀土re＝0.0055～0.0150，其余為鐵fe及不可避免的雜質，所述c原子個數與cr、mo、w原子個數和之比為1:1.8～2.2，所述不可避免的雜質包括磷p和硫s：所述p≤0.010，所述s≤0.008，所述2500mpa級超高強度鋼的微觀組織中分布有復合析出相，所述復合析出相包括二次硬化m2c析出相、馬氏體時效nial析出相和沉淀硬化cu析出相，所述m2c中的m為所述合金化元素中的金屬原子，所述m2c析出相的尺度不大于90nm，所述nial析出相的尺度不大于15nm，所述cu析出相不大于20nm。

　　所述鍛造成型中的始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度不小于850℃；所述調質熱處理包括固溶制度和時效制度，所述固溶制度為900～1050℃保溫1.3～1.7h后空冷至室溫，所述時效制度為480～650℃保溫3.5～4.5h后空冷至室溫。

　　本發明技術效果如下：本發明一種復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，基于高密度共格納米析出相來強韌化的合金設計思想，采用二次硬化鋼的強化相m2c、馬氏體時效鋼的強化相nial和沉淀硬化不銹鋼的強化相cu，為復合析出相以強化超高強度鋼，成分設計合理、突破了現有超高強度鋼的強韌化極限，可滿足發動機殼體、飛機起落架、防彈鋼板等領域持續增長的輕量化和安全使用要求。

　　具體實施方式

　　下面結合實施例對本發明進行說明。

　　本發明目的是滿足發動機殼體、飛機起落架、防彈鋼板等領域持續增長的輕量化和安全使用要求，研制更高強度級別的超高強度鋼。采用新的合金合計理念和強化相組合，提出一種新型復合析出相強化技術。一種復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，其成分重量百分比如下：c為0.24～0.35％，cr為0.90～1.90％，ni為10.00～16.00％，co為9.00～15.00％，mo為1.20～1.80％，w為1.0～2.0％，cu為0.60～1.20％，al為0.80～1.60％，re為0.0055～0.0150％，其中c原子個數與cr、mo、w原子個數和之比約1:2，其余為fe及不可避免的雜質，所述不可避免的雜質包括：p≤0.010％，s≤0.008％。所述一種復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼是通過真空感應熔煉、真空自耗重熔得到鋼錠后再通過鍛造成型后通過調質熱處理制備而成，所述復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼微觀組織為馬氏體+貝氏體+少量殘余奧氏體，所述貝氏體不大于15％，少量殘余奧氏體的體積分數不超過10％。所述一種復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼的抗拉強度不小于2500mpa，延伸率不小于10％。所述強化超高強度鋼微觀組織中，m2c、nial和cu析出相的最大尺寸分別是90nm、15nm和20nm。

　　所述超高強度鋼的冶煉包括采用真空感應熔煉、真空自耗重熔進行冶煉。所述鍛造中的始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度不小于850℃；所述調質熱處理包括固溶制度和時效制度，所述固溶制度為900～1050℃保溫，空冷至室溫，時效制度為480～650℃保溫，空冷至室溫。

　　實施例1：采用真空感應熔煉、真空自耗重熔制備的復合析出相強化超高強度鋼，其成分重量百分比如下：c為0.26％，cr為1.20％，ni為15.5％，co為12.00％，mo為1.20％，w為1.2％，cu為0.90％，al為0.80％，re為0.0075％，余量為鐵和不可避免的雜質。鋼錠錠始鍛溫度為1140℃，終鍛溫度控制830℃，鍛比為約20。固溶溫度是950℃，保溫1.5h，空冷室溫，時效溫度是482℃保溫4h，空冷至室溫。抗拉強度為2560mpa，延伸率12％。

　　實施例2：采用真空感應熔煉、真空自耗重熔制備的復合析出相強化超高強度鋼，其成分重量百分比如下：c為0.29％，cr為1.35％，ni為15.5％，co為12.00％，mo為1.22％，w為0.8％，cu為1.20％，al為1.10％，re為0.0080％，余量為鐵和不可避免的雜質。余量為鐵和不可避免的雜質。鋼錠錠始鍛溫度為1145℃，終鍛溫度控制850℃，鍛比為約21。固溶溫度是970℃，保溫1.5h，空冷室溫，時效溫度是482℃保溫4h，空冷至室溫。抗拉強度為2620mpa，延伸率11％。

　　在此指明，以上敘述有助于本領域技術人員理解本發明創造，但并非限制本發明創造的保護范圍。任何沒有脫離本發明創造實質內容的對以上敘述的等同替換、修飾改進和/或刪繁從簡而進行的實施，均落入本發明創造的保護范圍。

　　技術特征：

　　1.一種復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，其特征在于，包括鐵基組織，所述鐵基組織中分布有合金化元素和不可避免的雜質元素，所述合金化元素包括鎳ni，鈷co，鎢w，鉻cr，鉬mo，鋁al，銅cu，碳c和稀土re，所述c原子個數與cr、mo、w原子個數和之比為1:1.8～2.2，所述不可避免的雜質元素包括硫s和磷p，所述鐵基組織中分布有復合析出相，所述復合析出相包括二次硬化m2c析出相、馬氏體時效nial析出相和沉淀硬化cu析出相，所述m2c中的m為所述合金化元素中的金屬原子。

　　2.根據權利要求所述的復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，其特征在于，所述m2c析出相的尺度不大于90nm，所述nial析出相的尺度不大于15nm，所述cu析出相不大于20nm。

　　3.根據權利要求所述的復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，其特征在于，所述鐵基組織的微觀組織為馬氏體+貝氏體+少量殘余奧氏體，所述貝氏體體積分數不大于15％，所述少量殘余奧氏體的體積分數不超過10％。

　　4.一種復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，其特征在于，包括以下化學元素及其重量百分比含量：鎳ni＝10.00～16.00，鈷co＝9.00～15.00，鎢w＝1.0～2.0，鉻cr＝0.90～1.90，鉬mo＝1.20～1.80，鋁al＝0.80～1.60，銅cu＝0.60～1.20，碳c＝0.24～0.3，稀土re＝0.0055～0.0150，其余為鐵fe及不可避免的雜質，所述c原子個數與cr、mo、w原子個數和之比為1:1.8～2.2，所述不可避免的雜質包括磷p和硫s：所述p≤0.010，所述s≤0.008。

　　5.根據權利要求4所述的復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，其特征在于，所述2500mpa級超高強度鋼是將冶煉得到的鋼錠通過鍛造成型后通過調質熱處理制備而成。

　　6.根據權利要求5所述的復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，其特征在于，所述冶煉包括真空感應熔煉和真空自耗重熔。

　　7.根據權利要求所述的復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，其特征在于，所述2500mpa級超高強度鋼的微觀組織為馬氏體+貝氏體+少量殘余奧氏體，所述貝氏體體積分數不大于15％，所述少量殘余奧氏體的體積分數不超過10％。

　　8.根據權利要求所述的復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，其特征在于，所述2500mpa級超高強度鋼的微觀組織中分布有復合析出相，所述復合析出相包括二次硬化m2c析出相、馬氏體時效nial析出相和沉淀硬化cu析出相，所述m2c中的m為所述合金化元素中的金屬原子，所述m2c析出相的尺度不大于90nm，所述nial析出相的尺度不大于15nm，所述cu析出相不大于20nm。

　　9.一種復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：通過真空感應熔煉和真空自耗重熔的冶煉得到鋼錠后，再通過鍛造成型后通過調質熱處理制備出復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼，所述超高強度鋼具有以下化學元素及其重量百分比含量：鎳ni＝10.00～16.00，鈷co＝9.00～15.00，鎢w＝1.0～2.0，鉻cr＝0.90～1.90，鉬mo＝1.20～1.80，鋁al＝0.80～1.60，銅cu＝0.60～1.20，碳c＝0.24～0.3，稀土re＝0.0055～0.0150，其余為鐵fe及不可避免的雜質，所述c原子個數與cr、mo、w原子個數和之比為1:1.8～2.2，所述不可避免的雜質包括磷p和硫s：所述p≤0.010，所述s≤0.008，所述2500mpa級超高強度鋼的微觀組織中分布有復合析出相，所述復合析出相包括二次硬化m2c析出相、馬氏體時效nial析出相和沉淀硬化cu析出相，所述m2c中的m為所述合金化元素中的金屬原子，所述m2c析出相的尺度不大于90nm，所述nial析出相的尺度不大于15nm，所述cu析出相不大于20nm。

　　10.根據權利要求9所述的復合析出相強化2500mpa級超高強度鋼的制造方法，其特征在于，所述超高強度鋼的冶煉包括采用真空感應熔煉、真空自耗重熔進行冶煉。所述鍛造中的始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度不小于850℃；所述調質熱處理包括固溶制度和時效制度，所述固溶制度為900～1050℃保溫，空冷至室溫，時效制度為480～650℃保溫，空冷至室溫。

　　技術總結

　　一種復合析出相強化2500MPa級超高強度鋼及制造方法，通過在鐵基中添加合金元素Ni、Co、W、Cr、Mo、Al、Cu、C和RE，并設置C原子個數與Cr、Mo、W原子個數和之比為1:1.8～2.2，以及形成復合析出相，所述復合析出相包括二次硬化M2C析出相、馬氏體時效NiAl析出相和沉淀硬化Cu析出相，能夠突破現有超高強度鋼的強韌化極限，從而有利于滿足發動機殼體、飛機起落架、防彈鋼板等領域對超高強度鋼持續增長的輕量化和安全使用要求。

　　技術研發人員：胡春東;董瀚;趙洪山;陸恒昌

　　受保護的技術使用者：上大新材料(泰州)研究院有限公司;上海大學

　　技術研發日：2019.12.11

　　技術公布日：2020.04.28