相對于目前已工業化的常壓／真空冶金工藝流程，加壓冶金是制備高性能高氮不銹鋼的有效途徑，也是強化冶金過程和改善凝固組織的重要手段，必將成為冶金學科新的增長點。氮作為一種廉價、環境友好的合金元素加入不銹鋼(gang)中，能顯著改善其力學和腐蝕等諸多性能。隨著加壓冶金裝備和制備技術的發展及氮作用機制的更深入研究，氮將在不銹鋼中得到更廣泛的應用，極大地促進高性能高氮不銹鋼的研發和應用領域拓展。未來，在不斷提升性能的同時，高氮不銹鋼的制造成本將會不斷降低，從而將進一步擴大高氮不銹鋼的應用范圍。高氮不銹鋼的抗拉強度目前最高已能達到3600MPa,不久的將來可能會超過4000MPa,并且仍保持良好的韌性和高的耐腐蝕性能。因此可以預計，高氮不銹鋼將在航空航天、石油、化工、能源、交通運輸、海洋工程、建筑和軍事等諸多領域得到更廣泛的應用。
高氮不(bu)(bu)銹鋼作(zuo)為材料(liao)研(yan)發(fa)(fa)的一個(ge)新領域(yu)，發(fa)(fa)展潛力巨大。雖然圍(wei)繞高氮不(bu)(bu)銹鋼冶金學基礎、制(zhi)備技(ji)術、組織和性(xing)能、焊接等(deng)(deng)方面開(kai)展了(le)大量研(yan)究(jiu)，但尚(shang)有很(hen)多急需(xu)解決的問題(ti)(ti)，特別是(shi)我國在高氮不(bu)(bu)銹鋼基礎研(yan)究(jiu)、工業(ye)化(hua)的加壓冶金關(guan)鍵裝備研(yan)發(fa)(fa)、加壓冶金制(zhi)備技(ji)術等(deng)(deng)方面相對薄弱。為了(le)推動高氮不(bu)(bu)銹鋼向(xiang)高性(xing)能、低成(cheng)本(ben)、規模化(hua)方向(xiang)發(fa)(fa)展，需(xu)解決以下(xia)關(guan)鍵科學和技(ji)術問題(ti)(ti)。
1. 雖然科研(yan)工(gong)作者對氮(dan)(dan)在不(bu)銹(xiu)鋼熔體中的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)行(xing)(xing)(xing)為(wei)(wei)進(jin)行(xing)(xing)(xing)了大(da)(da)量(liang)研(yan)究，并建立了氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)度模型和(he)(he)動力(li)(li)學模型，但(dan)大(da)(da)部分氮(dan)(dan)含(han)量(liang)數據(ju)是常壓下測(ce)量(liang)的(de)(de)(de)，加壓下的(de)(de)(de)數據(ju)仍比較匱乏(fa)，需進(jin)一步完善，且氮(dan)(dan)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)動力(li)(li)學的(de)(de)(de)限制性環(huan)節(jie)尚存在一定(ding)(ding)爭議(yi)。研(yan)究表(biao)明，加壓凝(ning)固能(neng)夠強化(hua)冷卻、細(xi)化(hua)枝晶(jing)組(zu)織，抑制疏松縮(suo)孔(kong)，改善偏(pian)(pian)析(xi)、夾雜(za)物和(he)(he)析(xi)出相(xiang)分布，但(dan)凝(ning)固壓力(li)(li)與偏(pian)(pian)析(xi)度和(he)(he)氣孔(kong)形成(cheng)之間的(de)(de)(de)定(ding)(ding)量(liang)關(guan)系仍需深入研(yan)究。氮(dan)(dan)含(han)量(liang)的(de)(de)(de)精(jing)確(que)(que)控制與冶(ye)(ye)煉過程氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)行(xing)(xing)(xing)為(wei)(wei)和(he)(he)凝(ning)固過程中氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)析(xi)行(xing)(xing)(xing)為(wei)(wei)密切相(xiang)關(guan)，但(dan)如何(he)精(jing)確(que)(que)定(ding)(ding)量(liang)化(hua)冶(ye)(ye)煉和(he)(he)凝(ning)固壓力(li)(li)，以(yi)實(shi)現(xian)鋼中氮(dan)(dan)含(han)量(liang)和(he)(he)氮(dan)(dan)均勻性的(de)(de)(de)精(jing)確(que)(que)控制，仍然是值得(de)重點關(guan)注的(de)(de)(de)問(wen)題。
2. 高(gao)(gao)效快速增氮(dan)(dan)(dan)且易于精確控氮(dan)(dan)(dan)、適合于工(gong)業(ye)化大規模生(sheng)產、相對(dui)低(di)成本(ben)的(de)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)不銹鋼(gang)(gang)制(zhi)(zhi)備技術(shu)將是(shi)未(wei)來的(de)發(fa)展方向。目(mu)前(qian)，添加(jia)(jia)氮(dan)(dan)(dan)化合金(jin)的(de)加(jia)(jia)壓(ya)電(dian)渣(zha)重熔(rong)是(shi)商業(ye)化生(sheng)產高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)不銹鋼(gang)(gang)的(de)有效手段(duan)，但(dan)存在冶煉過(guo)程渣(zha)池沸騰(teng)、氮(dan)(dan)(dan)分(fen)布不均(jun)和(he)易增硅等問題，需(xu)二次重熔(rong)以改善(shan)氮(dan)(dan)(dan)元素分(fen)布均(jun)勻(yun)性，成本(ben)較高(gao)(gao)，且為獲得(de)較高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)含量，需(xu)提(ti)高(gao)(gao)熔(rong)煉壓(ya)力，而(er)這會加(jia)(jia)速設備損耗。相對(dui)于單(dan)步(bu)法工(gong)藝，加(jia)(jia)壓(ya)感(gan)應／加(jia)(jia)壓(ya)鋼(gang)(gang)包＋加(jia)(jia)壓(ya)電(dian)渣(zha)雙聯工(gong)藝將氮(dan)(dan)(dan)合金(jin)化任(ren)務以及凝固組織(zhi)調控和(he)純凈度(du)提(ti)升(sheng)任(ren)務進行分(fen)解，與(yu)常規工(gong)業(ye)化精煉裝備聯合，對(dui)于制(zhi)(zhi)備高(gao)(gao)純、均(jun)質、氮(dan)(dan)(dan)含量精確可控的(de)高(gao)(gao)品質高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)不銹鋼(gang)(gang)優勢(shi)顯(xian)著。但(dan)仍面臨加(jia)(jia)壓(ya)感(gan)應／加(jia)(jia)壓(ya)鋼(gang)(gang)包大型化過(guo)程中的(de)系列設計和(he)制(zhi)(zhi)造問題，同時與(yu)之(zhi)配(pei)套的(de)工(gong)業(ye)化制(zhi)(zhi)備技術(shu)仍需(xu)完善(shan)。
3. 大量研(yan)究(jiu)表(biao)明，氮(dan)(dan)能(neng)夠(gou)顯著改善(shan)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)力學和(he)(he)(he)腐蝕等諸多性能(neng)，但相關機制仍存(cun)(cun)在一些爭議。例如：氮(dan)(dan)促(cu)進(jin)短(duan)程(cheng)有序的(de)(de)形(xing)成缺(que)乏(fa)(fa)直接的(de)(de)實(shi)驗(yan)證據，是否(fou)能(neng)促(cu)進(jin)位錯(cuo)的(de)(de)平面滑移，提高(gao)加工硬化(hua)(hua)能(neng)力，進(jin)而改善(shan)高(gao)氮(dan)(dan)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)強(qiang)塑性也存(cun)(cun)在爭議。氮(dan)(dan)促(cu)進(jin)NH3/NH的(de)(de)形(xing)成可提高(gao)局部溶(rong)(rong)液pH,促(cu)進(jin)鈍化(hua)(hua)膜中鉻和(he)(he)(he)鉬富集是氮(dan)(dan)改善(shan)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)點蝕和(he)(he)(he)縫隙腐蝕廣為接受的(de)(de)理論，其(qi)(qi)(qi)本質上是氮(dan)(dan)的(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)影(ying)響(xiang)(xiang)了(le)其(qi)(qi)(qi)他元素的(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)和(he)(he)(he)沉積過程(cheng)，但局部溶(rong)(rong)液pH的(de)(de)改善(shan)如何影(ying)響(xiang)(xiang)其(qi)(qi)(qi)他元素的(de)(de)溶(rong)(rong)解(jie)(jie)和(he)(he)(he)沉積過程(cheng)及其(qi)(qi)(qi)影(ying)響(xiang)(xiang)程(cheng)度(du)缺(que)乏(fa)(fa)相關的(de)(de)理論計算。此外，從(cong)原子尺度(du)揭示氮(dan)(dan)對位錯(cuo)、層錯(cuo)和(he)(he)(he)孿晶等晶格缺(que)陷的(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)規律(lv)仍需深(shen)入研(yan)究(jiu)。基于以氮(dan)(dan)代碳的(de)(de)合金設(she)計理念，開發了(le)系列高(gao)氮(dan)(dan)工模具鋼(gang)(gang)(gang)和(he)(he)(he)軸承鋼(gang)(gang)(gang)，其(qi)(qi)(qi)核心是細小彌散(san)氮(dan)(dan)化(hua)(hua)物的(de)(de)析(xi)出(chu)影(ying)響(xiang)(xiang)了(le)粗(cu)大碳化(hua)(hua)物的(de)(de)析(xi)出(chu)過程(cheng)，氮(dan)(dan)的(de)(de)固溶(rong)(rong)強(qiang)化(hua)(hua)和(he)(he)(he)析(xi)出(chu)強(qiang)化(hua)(hua)改善(shan)了(le)材料(liao)的(de)(de)強(qiang)韌性。然(ran)而，氮(dan)(dan)與釩協同(tong)如何影(ying)響(xiang)(xiang)高(gao)氮(dan)(dan)工模具鋼(gang)(gang)(gang)和(he)(he)(he)軸承鋼(gang)(gang)(gang)中析(xi)出(chu)相的(de)(de)形(xing)成過程(cheng)，進(jin)而影(ying)響(xiang)(xiang)其(qi)(qi)(qi)性能(neng)的(de)(de)研(yan)究(jiu)尚(shang)需深(shen)入。
4. 作為(wei)正在繁榮發展的高氮(dan)馬(ma)氏體不(bu)銹鋼(gang)(gang)（如(ru)工(gong)模(mo)具鋼(gang)(gang)、軸(zhou)承鋼(gang)(gang)等(deng)），與之配(pei)套的熱(re)處理(li)工(gong)藝是(shi)調控(kong)其(qi)析出相（碳化物、氮(dan)化物等(deng)）及馬(ma)氏體和(he)殘余(yu)奧(ao)氏體含量(liang)、形(xing)態、尺(chi)寸和(he)分布等(deng)組織(zhi)，決(jue)定(ding)產品最終性(xing)(xing)能(neng)、服役壽命和(he)可靠性(xing)(xing)的關鍵(jian)環節(jie)。發展新型的熱(re)處理(li)工(gong)藝［如(ru)淬(cui)火－深冷－配(pei)分－回火（Q-C-P-T)],明(ming)晰高氮(dan)馬(ma)氏體不(bu)銹鋼(gang)(gang)在熱(re)處理(li)過程中的組織(zhi)演變規律，闡明(ming)氮(dan)元素的擴(kuo)散(san)行為(wei)及其(qi)對組織(zhi)和(he)性(xing)(xing)能(neng)的影響機(ji)理(li)，以實(shi)現(xian)組織(zhi)和(he)性(xing)(xing)能(neng)的精(jing)確調控(kong)將是(shi)熱(re)處理(li)工(gong)藝的研究熱(re)點。
5. 高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)技(ji)(ji)術(shu)仍(reng)是(shi)制約高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)品(pin)種開發(fa)和(he)(he)(he)工程(cheng)化(hua)廣泛應用的(de)(de)(de)瓶頸(jing)之一。針(zhen)(zhen)對高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)傳(chuan)統熔(rong)焊(han)(han)(han)(han)中仍(reng)存(cun)在氮(dan)(dan)(dan)氣逸出(chu)導(dao)致氮(dan)(dan)(dan)損失、氮(dan)(dan)(dan)化(hua)物大量(liang)(liang)析出(chu)等難題(ti)(ti)，固(gu)相連接(jie)(jie)的(de)(de)(de)攪拌(ban)摩(mo)擦(ca)焊(han)(han)(han)(han)技(ji)(ji)術(shu)為高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)的(de)(de)(de)高(gao)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)提(ti)供(gong)一條新思路(lu)和(he)(he)(he)新途徑(jing)。由于(yu)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)高(gao)的(de)(de)(de)熔(rong)點、硬度(du)、加(jia)工硬化(hua)能力(li)，該技(ji)(ji)術(shu)仍(reng)存(cun)在攪拌(ban)針(zhen)(zhen)磨損問題(ti)(ti)比較嚴重(zhong)，且無法高(gao)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)很(hen)厚的(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)件等問題(ti)(ti)。激光輔助(zhu)加(jia)熱的(de)(de)(de)攪拌(ban)摩(mo)擦(ca)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)將是(shi)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)技(ji)(ji)術(shu)未來的(de)(de)(de)發(fa)展方向，通過精確控制激光能量(liang)(liang)輸入和(he)(he)(he)預熱區(qu)域對焊(han)(han)(han)(han)件預熱，降低焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)需要的(de)(de)(de)摩(mo)擦(ca)熱和(he)(he)(he)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)頭在敏化(hua)溫(wen)度(du)停留時間，從(cong)而一定程(cheng)度(du)上(shang)減輕攪拌(ban)針(zhen)(zhen)的(de)(de)(de)磨損和(he)(he)(he)減小焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)熱影(ying)響區(qu)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)化(hua)物等二次相析出(chu)傾(qing)向，提(ti)高(gao)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)速度(du)和(he)(he)(he)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)。因(yin)此，急需對激光輔助(zhu)加(jia)熱的(de)(de)(de)攪拌(ban)摩(mo)擦(ca)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)工藝理論、模擬(ni)、性能及相關機理方面開展深入研究(jiu)。此外，發(fa)展加(jia)壓熔(rong)焊(han)(han)(han)(han)裝備、工藝并開展相關基礎研究(jiu)，也是(shi)解決(jue)常壓下高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)熔(rong)焊(han)(han)(han)(han)難題(ti)(ti)的(de)(de)(de)有效(xiao)途徑(jing)。
6. 我國高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)鋼的(de)(de)(de)(de)研發尚處于起步階(jie)段，尤其(qi)是此類(lei)材料在(zai)典型服(fu)役(yi)環(huan)境中(zhong)性(xing)能劣化的(de)(de)(de)(de)行為、失效機(ji)理(li)等(deng)方面的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)薄弱，實(shi)際服(fu)役(yi)環(huan)境下的(de)(de)(de)(de)相關(guan)數(shu)據積累更為缺乏，例如：艦(jian)載機(ji)用航空高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)軸承鋼在(zai)高(gao)溫、高(gao)速、重載條件下的(de)(de)(de)(de)腐蝕疲勞失效機(ji)制，海(hai)洋(yang)工程裝備用高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)鋼在(zai)高(gao)氯(lv)離子(zi)濃度、高(gao)溫、高(gao)濕、浪(lang)涌、飛濺、海(hai)洋(yang)生物多等(deng)復雜海(hai)洋(yang)環(huan)境中(zhong)腐蝕行為及失效機(ji)理(li)，相關(guan)基礎數(shu)據的(de)(de)(de)(de)缺失嚴(yan)重制約(yue)了高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)鋼的(de)(de)(de)(de)研發進程和大(da)規(gui)模應用。因此，急需(xu)建立模擬(ni)高(gao)氮(dan)(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)鋼在(zai)典型服(fu)役(yi)環(huan)境中(zhong)性(xing)能劣化的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)方法，闡明(ming)其(qi)失效機(ji)制；同(tong)時，加強(qiang)服(fu)役(yi)性(xing)能數(shu)據積累，為合金成分的(de)(de)(de)(de)進一步優化和應用領域(yu)的(de)(de)(de)(de)拓展提供強(qiang)有力的(de)(de)(de)(de)數(shu)據支撐(cheng)。
