火电用金属耐热材料的开发

　　火电用铁素体耐热钢的温度极限为620℃，而火电的发电效率则由蒸汽温度决定。如果超超临界压力的蒸汽温度由超临界压力的560℃以下提高到600℃以上，发电效率则由39%提高到43%。在核电大量关停的情况下，日本需要以高效的火力发电代替核电时，首先需要开发温度更高的金属耐热材料。该机构承担了开发700℃以上耐热材料的项目。该机构在开发中认为，铁素体材料比常规用的含Ni合金成本低，且用于火电机组时对机组震动、停止时产生的热膨胀、收缩应力的适应性好。于是，该机构在2Cr铁素体钢的基础上加B以提高蠕变强度，并保焊接区不降低的思路下进行研发。目前的材料耐热温度已经达到650℃。下一步，对700℃用钢拟采用15Cr铁素体析出强化钢，该钢种在高温下具有较好的稳定性。目前基础试验已经完成，正开展实用化工试中，并在合作企业供应板坯下进行试生产。另外，合作企业谷月峰先进材料生产集团不仅用该机构的研发成果着手准备生产铁素体耐热钢，还计划研发生产奥氏体耐热钢，以向750℃的更高目标进军。

　　钛合金的使用温度为608℃，自1980年开发成功以来被逐步应用。钛合金耐热性好的原因主要是Ti原子和Al原子在1∶1配位下成为优质的耐热合金，但缺点是具有脆性，影响其使用寿命。这次该机构也把钛合金作为重点开发对象，通过设法克服上述缺点并将耐热温提高到650℃，以便利用现有工艺和设备大量生产该合金而扩大市场。具体的技术是：在钛合金中加入10%的Al，以及Mo、Co和Si，使金属组织得以复合强化。此类元素在Ti中析出时，不仅析出物很小，并且会在Ti的界面产生形变，从而提高高温蠕变强度。另外，在钛合金表面涂上一层Al2O3膜，还有利于提高表面的耐水蒸气氧化性。

　　高温耐热合金材料对火电锅炉蒸汽管和飞机发动机都十分重要，且限定应用在几种特种材料范围内，所以今后的开发前景广阔。特别是核电大量停产后对先进高效的超超临界火电机组大量需求的形势下，对优质的高温耐热材料的需求更为紧迫。

　　高强度钢测试新技术

　　在汽车业为节约汽油、减少排放而大量采用高强度钢以实现车体轻量化的形势下，该机构开发成功高强度钢疲劳强度破坏机理的评价方法，从而使疲劳强度测试时间大幅缩短，为高强度钢的开发和加速推广创造了有利条件。

　　钢材在屈服强度以下的应力下反复弯曲或伸缩时便会产生疲劳现象，到一定程度便会产生疲劳破坏。这种交变应力超过某一极限强度而且长期反复作用即会导致材料破坏的极限称为材料的疲劳极限。对疲劳极限的测量实验，钢铁材料要达到1000万次以上，对于汽车用高强度钢，为确保其安全性，在新钢种和企业初次生产该钢种时，测试实验需要扩大到10亿次以上。因而，使再次的实验时间延长到4个月以上，这样对高强度钢的开发和推广应用十分不利。据此，该机构开展了缩短试验时间的研发。

　　经过近3年的不断试验研究，该机构开发成功采用超声波的快速试验机技术，使每次的试验时间由4个月缩短到一周，并且已经被各个钢铁企业广泛采用。在此基础上，该机构还开展了新方法的研究。

　　在开展基础试验中，该机构发现：要取得高强度钢疲劳寿命的极限，需要查明疲劳寿命曲线的多个转折点，但对每个点逐个查明时耗时过多。为缩短试验时间，该机构开发成功一次可查明42个点的新型试验机。与常规试验机的对比显示，其结果基本相同，目前正在将新试验机大型化以使其实用化。

　　为了从根本上解决高强度钢疲劳强度测定时间长的问题，同时确保其安全性和应用方便，还需要对其疲劳强度采取科学的评价方法，即从其内部的破坏机理对疲劳强度进行科学评价。钢材内部产生开裂时，即产生疲劳破坏现象初期时，难以收集、捕捉和观察到钢材的开裂状况。该机构采取的粒状检测技术解决了这一难题，并通过其他试验方法的改进，终于开发成功对产生疲劳破坏内部开裂的评价方法，而使时间损耗大幅缩短。