作为先进航空发动机不可缺少的核心部件之一，镍基单晶涡轮叶片（简称单晶叶片）的空心结构尺寸精度、合金元素的分布均匀性和表面及内腔冶金质量等要求极为苛刻。研究发现，定向凝固过程中温度梯度的控制直接影响单晶叶片性能和质量，能否持续获得稳定热流成为定向凝固技术的关键。随着计算机技术的不断进步，数值模拟已经成为单晶叶片定向凝固研究的重要手段之一。首先，对单晶叶片制备技术进行了介绍，分析了定向凝固过程中的传热方式。其次，总结了数值模拟界面换热系数边界条件的优化方法，重点介绍了Beck非线性估算法和有限差分法在界面换热系数求解中的应用，证明了两种方法均可以对铸件/型壳间的界面换热系数进行求解，有效提升了温度场模拟的准确性。最后，对定向凝固过程温度场数值模拟的研究进展进行了追踪，总结归纳出了工艺参数对温度场的影响规律。基于对镍基单晶涡轮叶片定向凝固过程温度场数值模拟研究进展的分析，提出了定向凝固工艺优化方向以及相关技术后续的发展趋势，以促进单晶涡轮叶片的高质量研发。

航空航天、能源、石油化工、船舶、轨道交通、新能源汽车、节能环保、电子信息等领域的高端装备产业发展强劲，对特殊钢和特种合金材料的质量和性能提出了更高的要求，需求量激增。因此，最近十几年我国特种冶金行业得到了快速的发展。首先，分析和总结了我国上述高端装备制造用超高强度钢、高温合金、耐蚀合金、耐热钢、特种不锈钢、高性能轴承钢、工模具钢以及精密合金等的新需求。其次，分析了传统特种冶金流程和几种特冶新流程的发展现状与趋势，重点强调了与转炉/电弧炉炼钢流程相结合可以为电渣重熔和真空电弧重熔提供高洁净的自耗电极，也可以为真空感应炉提供纯净原材料，用连铸坯作为自耗电极的抽锭式电渣重熔后接轧制工艺的电渣短流程可以显著提升生产效率和降低生产成本。同时，也简要介绍了高氮不锈钢冶炼的双联工艺和工模具钢的粉末冶金和喷射成形工艺流程。再次，分析和总结了我国特种冶金产业发展现状，以及新技术和新装备的进展情况。最后，对未来十年我国特种冶金的技术发展提出了建议和展望。

40CrNi2Si2MoV马氏体钢中大尺寸碳化物存在会影响其力学性能，通过成分设计优化和合理的热处理工艺可以有效提高材料的强韧性。研究了M6C碳化物在不同淬火温度（860~1150 ℃）下对超高强度钢力学性能及显微组织的影响，并通过SEM、TEM等表征方法对M ₆C颗粒尺寸、数量及成分的演变进行了研究。结果表明，大尺寸M ₆C颗粒使超高强度钢韧性降低，880 ℃淬火试样中的M ₆C颗粒尺寸较大（~400 nm），容易在大尺寸M ₆C周围造成应力集中，减弱了基体与M ₆C碳化物的结合力，易在M ₆C碳化物周围萌生裂纹，致使材料发生断裂。随着淬火温度升高，试验钢中M ₆C颗粒尺寸减小、数量降低，且提升了M ₆C颗粒中Si的浓度，M（Fe、Mo、Ni、Co） ₆C中原子被Si取代，提升了M ₆C碳化物的稳定性；1050 ℃ 淬火温度试验钢中M ₆C颗粒尺寸为25 nm，同时抑制原始奥氏体晶粒（8.5 μm）长大，试验钢抗拉强度为2227 MPa，伸长率为7.0%，实现良好的强韧性匹配。

125ksi钢级15Cr超级马氏体不锈钢具有优良的高强度、高韧性匹配与耐CO2腐蚀性能，是深度＞7 000 m深井油井管的候选材料。从成分设计、生产工艺、组织调控等方面，论述了15Cr超级马氏体不锈钢油管的高强高韧综合控制技术。成分控制方面，采用无δ铁素体成分设计， w[Cr]取15%， w[Ni]取6.5%~7%， w[C]取0.01%~0.03%， w[Cu]取1.25%~1.5%，Cr、Ni元素合理匹配是降低δ铁素体含量的主要因素，C、Cu含量的合理匹配是获得高强高韧力学性能的关键因素。冶炼工艺方面，研究了电弧炉钢杂质元素的影响，结果表明，V、N、Al杂质元素会增加15Cr钢的硬度，将回火温度提高至550~575 ℃，能够降低硬度保证韧性。热加工成型方面，通过热变形试验，获得了15Cr钢的动态再结晶规律，制定了无缝管热穿孔成型变形温度1100~1150 ℃，能够获得细小的再结晶晶粒。组织性能调控方面，通过热处理工艺研究，确定了正火温度采用950~980 ℃，即能保证晶粒尺寸不明显长大，又能获得高强度与高韧性的匹配。

为进一步降低和控制某钢厂由BOF→LF→VD→CC工艺流程生产的GCr15轴承钢中的非金属夹杂物，提高产品质量，首先通过全流程系统取样、夹杂物自动分析扫描以及热力学计算等方法对该工艺生产的轴承钢中夹杂物的特性和演变规律进行了研究。结果表明，LF化渣时夹杂物主要为MgO-Al ₂O ₃和Al ₂O ₃，LF出站时演变为CaO-MgO-Al ₂O ₃和CaO-Al ₂O ₃，尺寸主要分布在1~5 μm；VD软吹后夹杂物主要类型不变，但数密度由LF出站时的16.53 个/mm ²降低至14.02 个/mm ²，夹杂物去除率约15.2%；中间包中夹杂物数密度又上升至16.39 个/mm ²，夹杂物类型仍主要为CaO-MgO-Al ₂O ₃和CaO-Al ₂O ₃，其中1~2 μm和＞2~5 μm占比分别为62.8%和35.6%。铸坯中CaS复合型夹杂物明显增多。热力学计算解释了以上夹杂物的产生原因，表明，当 w［Al］ _s为0.02%时，MgO-Al ₂O ₃稳定存在对应的Mg含量变化区间较大，为0.000 3%～0.01%，因而，GCr15轴承钢生产过程中容易生成MgO-Al ₂O ₃或CaO-MgO-Al ₂O ₃类夹杂物。LF出站、VD软吹后、中间包钢水的（T.Ca）/（T.O）分别为0.39、1.0、0.62，位于生成五类钙铝酸盐的理论钙氧比范围（0.13~1.25），因此，检测到大量的钙铝酸盐夹杂物。钢液冷却过程中夹杂物发生了转变，液态钙铝酸盐夹杂消失，而MgO·Al ₂O ₃和CaS夹杂明显增多。

加压电渣重熔是目前工业化制备高氮钢和高氮合金最为有效的生产路线，是当今电渣冶金领域的研究热点和前沿技术。介绍了加压电渣重熔成套设备、工艺技术发展和主要产品特点。对当前加压电渣炉装备中氮化合金加料系统和水-气动态平衡系统等核心部件进行综述；针对加压电渣重熔生产中的工艺难点，阐述了氮化合金增氮和气相增氮技术的机理和方法、新型高效发热精炼重熔渣系开发及元素精准控制等新工艺技术发展。近年来，随着国内新建的系列国产化中试规模加压电渣炉的应用和系列高氮钢产品的成功研制，我国在加压电渣重熔成套装备的自主研制和工艺技术开发上取得的较大突破，并逐步向国际先进水平迈进。同时，深入开展工业级加压电渣重熔成套装备的自主研制和工艺技术研发，保障我国航空、航天和军工等领域高端高品质特殊钢和特种合金等急需的关键材料制备，是我国发展现代电渣冶金技术的重要方向。

随着高性能航空发动机对材料要求的不断提高，新型镍基变形高温合金的合金化程度和γ'相质量分数也在不断增加。这就导致了合金的熔炼难度逐渐提高。高合金化的新型镍基变形高温合金一般通过真空感应熔炼（VIM）+保护气氛电渣重熔（PESR）+真空电弧重熔（VAR）三联工艺来生产。受合金化程度的影响，合金在熔炼过程中易产生液固相间的溶质分凝和元素偏析，电极和铸锭在热应力与相变应力的综合作用下极易发生开裂，造成后续重熔过程电弧波动，从而对铸锭质量造成不利影响。电极裂纹问题是高温合金凝固过程中产生的一种复杂冶金缺陷，也是长期困扰我国高合金化难变形高温合金锭型扩大的共性技术难题。基于此，综述了近年来作者团队和国内外研究组在变形镍基高温合金熔炼过程中裂纹的形成机制、裂纹的影响因素及裂纹控制方面的研究进展，并对沉淀强化型镍基变形高温合金的未来发展方向进行了展望。

非金属夹杂物是影响高温轴承钢疲劳性能的重要因素。为了提高M50高温轴承钢的夹杂物控制水平，分析了三七渣电渣重熔精炼技术对夹杂物的影响。采用场发射扫描电子显微镜和能谱仪对夹杂物进行了表征，采用X射线荧光光谱仪分析了电渣重熔前后渣料成分的变化。在自耗电极中，夹杂物为尺寸较小的Al ₂O ₃-SiO ₂，其中， w［SiO ₂］较高（平均值为29.3%），不存在聚集状夹杂物。经过电渣重熔，夹杂物转变为Al ₂O ₃，而且存在大尺寸的簇状夹杂物；渣料中 w［SiO ₂］从1.73%增加到3.42%，同时Al ₂O ₃含量发生降低；钢中 w［Al］从＜0.000 5%显著增加到0.020 7%， w［Si］从0.356%降低至0.296%。基于渣-钢反应理论对电渣重熔过程的冶金反应进行了解释。钢液中的溶解Si和熔渣中的Al ₂O ₃在钢液和熔渣的界面发生反应，产物为溶解Al和SiO ₂。随后溶解Al扩散进入钢液并与夹杂物中SiO ₂发生反应，产物为溶解Si和Al ₂O ₃。最终使得钢中夹杂物转变为Al ₂O ₃。提出了控制三七渣电渣重熔M50轴承钢中夹杂物的方法。

采用冶炼成本较低的EAF→VOD→LF+VD→浇注6 t电极棒→真空自耗重熔（VAR）的新工艺流程代替传统双真空冶炼工艺生产15-5PH不锈钢，使用扫描电镜、ASPEX等对其探伤点状缺陷进行检测，并分析其产生原因。结果表明，自耗电极中已存在铝酸钙及镁铝尖晶石非金属夹杂物，真空自耗重熔过程的不稳定，将锭冠和非金属漂浮物卷入熔池残留在自耗锭中，导致锻造成材后产生点状缺陷。通过工艺优化改进，VOD还原渣料由铝粒9 kg/t调整为硅铁8 kg/t、铝粒5 kg/t复合脱氧，精炼渣系成分由（质量分数）CaO为50％～55％、SiO ₂为10％～15％、Al ₂O ₃为20％～25％调整为CaO为45％～50％、SiO ₂为5％～10％、Al ₂O ₃为33％～38％，真空自耗重熔熔速由4.2 kg/min提高至6 kg/min、熔滴时间由0.23 s提高至0.27 s，自耗电极洁净度得到较大的提升，自耗重熔过程熔速控制稳定，熔池液面非金属漂浮物得以去除，成品材高低倍检验均满足标准要求，探伤合格率提高至98%以上。

通过热压缩模拟实验研究了1Cr16Co5Ni2MoWVNbN耐热钢在热变形过程中的动态再结晶行为，通过Deform 3D有限元数值模拟研究了应变速率和坯料尺寸对1Cr16Co5Ni2MoWVNbN 耐热钢球座模锻成型工艺的影响。热压缩试验结果表明，1Cr16Co5Ni2MoWVNbN 耐热钢发生动态再结晶、混晶现象不明显的临界变形量约为20%，增大应变速率有利于在小变形量下，获得更加均匀的组织。数值模拟结果表明，随着应变速率提高，模锻件最小变形区域的等效应变与等效应力均增加，随着坯料直径增加，模锻件最小变形区的等效应变下降，等效应力先降低后提高。应变速率为0.1 s ^-1时，坯料直径 ϕ60 mm～ ϕ65 mm，最小变形区域工程应变可达到20%以上，且具有较好的锻造成型性。根据数值模拟结果，设计了直径 ϕ60 mm、高度74 mm的坯料，以0.1 s ^-1的应变速率进行模锻验证试验，试制出的锻件成型好、组织与硬度均匀，验证了数值模拟结果的合理与可行性。

随着电渣钢品质的不断提升，普通电渣炉亟须进行全密闭气氛保护的升级改造，从而解决电渣重熔过程元素烧损、增氧、增氢、氢气孔等问题。采用新型的电渣炉气氛改造技术，分别用5 t和2 t电渣炉对GCr15SiMn轴承钢和GH2132高温合金进行传统气氛保护电渣炉和新型电渣炉的对比试验。冶炼过程中实现了结晶器内氧分压低至1×10 ^-6。试验数据显示，传统气氛保护电渣炉冶炼下，GH2132中Ti收得率低，仅为88%；GCr15SiMn轴承钢电渣重熔过程中增 w［O］量大，可达5×10 ^-6。而在新型气氛保护改造中，GH2132中的Ti收得率高达96%；重熔过程轴承钢增 w［O］控制在3×10 ^-6以内，电渣锭中 w［O］稳定控制在10×10 ^-6以内，其电渣锭效果媲美气保电渣炉。以上炉内氧分压和电渣锭检测结果表明，电渣炉气氛改造后，可有效解决传统气氛保护改造技术下，往复的热浪涌出和负压吸气导致的结晶器内氩气保护不稳定，从而造成电极表面氧化，氧化皮掉入渣中引起的熔渣氧势升高和电渣锭增氧的问题；尤其对于GH2132高Ti低Al型高温合金，普通电渣炉加入脱氧剂Al条件下，无法避免Ti的烧损，只能导致电渣锭增Al。

在电渣重熔的过程中，钢中气体成分（如H、O、N等）的含量受所用渣系的气体渗透率影响显著。为了探索出一种适合核电用316H不锈钢的低氢渗透率的电渣重熔用渣系，测定了5种电渣重熔渣系的氢渗透率。研究结果表明，新开发的63%CaF ₂-30%Al ₂O ₃-7%MgO渣系的氢渗透率最低。同时65%CaF ₂-30%Al ₂O ₃-5%MgO渣系的氢渗透率与之较为接近，并且这两种渣系的氢渗透率与钢厂电渣生产所用原渣系60%CaF ₂-20%Al ₂O ₃-20%CaO的氢渗透率相比均有明显降低，分别由6.58×10 ^-6 mol/（cm·min）降至1.89×10 ^-6 mol/（cm·min）和2.18×10 ^-6 mol/（cm·min）。熔渣的光学碱度越大，氢渗透率也越大。渣中的CaO有较大的水容性，在电渣重熔过程中容易使钢锭中的氢含量升高，渣系中MgO的添加能够显著地降低氢渗透率。在研究条件下，渣系的组元对渣系的氢渗透率的影响比光学碱度更为显著。

为了获取高质量的含稀土单晶叶片，采用座滴法研究了La含量对CMSX-4单晶合金与陶瓷型壳润湿性及界面反应的影响。实验结果表明，添加90×10 ^-6 La时，合金与型壳的润湿角略有下降，合金中仅发现Al与型壳中的SiO ₂发生反应，形成产物为Al ₂O ₃；当合金中 w［La］达到143×10 ^-6时，合金与型壳的润湿角显著下降，合金中的La和Al都与型壳中的SiO ₂发生反应；随后继续增加La含量，界面处析出不同La、Al原子比的铝酸镧化合物，润湿角变化不大。由此可见，实验中，143×10 ^-6为CMSX-4单晶合金中La发生界面反应的临界含量，而且，La与SiO ₂的反应可以提高合金/型壳体系的润湿性。

基于相场法建立了流-热-质全耦合模型，模拟了真空自耗电弧重熔（VAR）过程铸锭柱状晶在强制流场中的生长。对比柱状晶在有无流场条件下的生长特征解析熔体流动对柱状晶生长的影响机制。模拟结果表明：凝固前沿流场速度大小为45 μm/s，方向与枝晶生长方向垂直时，二次枝晶表现出“迎流”生长，枝晶干受冲刷作用向下游倾斜；相邻枝晶形成细小涡流，枝晶干上游侧溶质和热量随熔体带入下游侧，上游侧溶质和温度边界层厚度减小，由无流场时的51 μm降至31.5 μm，温度梯度大促进二次枝晶发展；下游侧边界层溶质和热量富集程度大，边界层厚度增至78 μm，梯度减小明显抑制二次枝晶发展。下游溶质浓度高于无流场情况，枝晶生长缓慢增大微观偏析风险。

采用真空感应炉熔炼H13模具钢，在氩气保护下加入稀土镧处理钢液并浇铸成钢锭，研究了La处理对H13钢中夹杂物转变的影响。结果表明，La对H13钢中夹杂物具有很好的改性效果，随La含量的提高，夹杂物的数量呈上升趋势，夹杂物的平均尺寸先减小后增大。不添加稀土时，H13钢中夹杂物主要为Al ₂O ₃和MnS；当H13钢中 w［La］为0.016%时，钢中夹杂物以La ₂O ₂S为主；当 w［La］为0.045%和0.073%时，钢中夹杂物主要为LaP和La ₂O ₂S。热力学计算表明，在1 600 ℃下钢液中，La处理后夹杂物的转变过程为Al ₂O ₃→LaAlO ₃→La ₂O ₂S。在凝固过程中，钢液中首先析出La ₂S ₃，当温度继续降低，LaP开始在La ₂S ₃和La ₂O ₂S表面析出，最终形成复合夹杂物La ₂O ₂S-LaP和La ₂S ₃-LaP。

为探究大尺寸高温合金真空自耗重熔工艺，提高铸锭均质化、洁净化水平，采用数值模拟与工业试验相结合的方法，研究了 ϕ690 mm锭型GH4738合金真空自耗重熔过程熔池演变、凝固特征以及夹杂物分布规律。结果表明，随着熔炼的进行，模拟的熔池由“浅平”形逐渐向“浅U”形转变，熔炼500 min后，熔池逐渐趋于稳定，冶炼过程最大熔池深度和糊状区宽度分别为200.88、72.38 mm。稳定熔炼期间，铸锭表面和中心的冷却速率分别为0.126、0.009 K/s，高度超过0.4 m后，铸锭冷却速率基本维持稳定。模拟了6种粒径的夹杂物在熔池中的运动轨迹，>20 μm的夹杂物在熔池内作螺旋运动，大部分在熔池表面与铸锭侧壁接触面被捕获，≤10 μm的夹杂物进入熔池后沿熔池底部向内运动，最终停留在铸锭内部，与工业铸锭检测值基本一致。

本文研究了不同预淬火温度的QTA（Quenching-Tempering-Austempering）复相热处理工艺（Q为1 030 ℃，30 min；T为520 ℃，2 h；A为250 ℃，3 h）对冷作模具钢DC53的微观组织和力学性能及摩擦磨损性能的影响，并与常规淬火-回火（Quenching-Tempering，QT）热处理工艺（Q为1 030 ℃，30 min；T为520 ℃，2 h）进行对比。结果表明，QT工艺得到的组织以回火马氏体为主；QTA工艺可以得到下贝氏体/马氏体（Lower Bainite/ Martensite，LB/M）为主的复相组织，这些复相对原奥氏体晶粒的分割产生的细晶强化作用部分抵消了LB和残余奥氏体（A _R）的弱化作用，并且，这些复杂的微观组织极大提升了DC53钢的冲击韧性；当QTA的预淬温度为100 ℃时，其硬度仅比QT工艺低1.4HRC，但是冲击吸收能量却是QT工艺的2.44倍。因此，优化的QTA工艺可以得到较高的强韧综合性能。

基于高耐磨性的需要，设计了一种W3Mo4Cr5V6高钒高速钢，利用SEM、EMPA等手段对该钢高温加热过程亚稳态M ₂C碳化物的分解转变行为进行了分析。结果表明，共晶碳化物M ₂C在高温加热过程会发生M ₂C+γ-Fe→M ₆C+MC+M ₇C ₃的转变，在富Mo、W的M ₂C相周围形成了大量富W、Mo的M ₆C及少量富V的MC和富Cr的M ₇C ₃。随着温度由950 ℃增至1 150 ℃，M ₂C高温转变逐渐趋于完全，且纤维状M ₂C比层片状M ₂C更易分解转变，最终，由呈断续网状分布于奥氏体晶界的层片或纤维状形貌向零星分布于晶界的颗粒状形貌过渡，可有效减少网状碳化物对晶界的危害。研究可为高速钢中晶界碳化物成分、形态控制及其热加工、热处理过程温度与时间等参数选择提供有效参考。

通过化学成分测试分析、扫描电子显微镜观察、透射电镜观察、力学性能检测等分析方法，研究了粉末粒度、粉末处理工艺以及粉末处理环境对FGH95合金氧含量的影响。结果表明，粉末处理环境对FGH95合金的氧含量及组织影响较大，相同粒度气雾化粉末在空气中处理后，其制备的合金氧含量相比惰性气体环境中除气制备的合金增加了115%，而低氧环境中制备FGH95合金的 w［O］仅为0.003 9%，其PPB组织得到明显改善；同样在惰性气体环境中经过室温和450 ℃除气处理，0～45 μm粉末比0～75 μm粉末制备的FGH95合金氧含量增加了33%；在低氧环境中，除气温度对合金氧含量影响不大；氧含量的差异并未对FGH95合金的室温强度造成较大影响，但氧含量增高会降低合金的塑性。

研究了热处理工艺对140 ksi等级In718合金组织与性能的影响。固溶温度采用1 023、1 030、1 050 ℃三个温度，时效温度采用760、780、800 ℃三个温度，交叉试验共9组试验数据。然后对经不同热处理工艺后的合金试样进行室温拉伸、-60 ℃夏比V型冲击、硬度、晶粒组织等指标进行测试，并对断口组织和析出相进行分析。研究表明，随着固溶温度升高，In718合金强度降低、塑韧性升高，晶粒尺寸增大、δ相量减小；相同固溶温度下，随时效温度升高，In718合金强度降低、塑韧性升高，时效温度对晶粒尺寸无影响，γ″相的形貌由颗粒状、球状逐渐粗化为针状，γ″相数量也呈现减小趋势。其中，在1 023 ℃固溶处理和760 ℃时效处理后合金的综合性能最佳，抗拉强度、屈服强度、塑性、冲击韧性等指标匹配达到最好水平。