最近，材料开发经常被认为是一门成熟的学科。研究人员似乎正在探索提高耐热或耐腐蚀性的极限。如今不再是这样了，通过新的制造技术、人工智能（AI）、多学科方法以及一系列公司和科研机构的合作，新的可能性正在以惊人的速度展现。本文试图给出一些有关新的研究工具和新钢种的启示。
新工业革命
过去，不锈钢和CRA行业常被视为保守行业：终端用户、特别是油气行业、建筑业和核工业用户更愿意持续使用通过试验验证且熟悉的产品，不愿冒风险使用相对未经验证的材料。一旦掌握了各种焊接工艺，很少采用更好的奥氏体钢或者双相不锈钢取代当前奥氏体钢种。另外，开发新钢种需要时间，通过验证获取批准也是漫长而艰辛的过程。然而，近年来受一些因素的影响：随着诸多旨在提高安全性和质量，降低资源占用，但却不增加成本的重要合作，诸如3D打印制造技术和数字革命（尤其是人工智能）取得进展，这种相对保守的做法已经发生了变化。同时，进入瓶颈期的全球市场，使得创新越来越受到重视。
合作
削减成本（以更低成本获得同等或更高质量）一直是合金材料创新的主要驱动力。例如，设计低镍或无镍材料以避开高昂的镍价格，双相钢种可一定程度降低高成本合金元素含量；为了满足使用方的指定钢种，开发钢种以填补空白；另一些材料仍用于满足恶劣条件的特定应用需求。
合金研发是冶金公司的重要研发工作。然而，很少有公司单独开展合金研发工作。例如，山特维克与肥料技术提供商Stamicarbon合作开发尿素级双相钢Safurex（SAF 2906 TM）。Industeel公司与终端用户合作开发尿素级钢。另一个例子，浦项制铁与埃克森研究机构合作，深入技术研究，开发液化天然气行业的高锰钢。然而，对合金研究贡献最大的，也许是与企业合作的科研机构（在美国，这些机构通常与军事或能源工业有关）和大学。大学在高熵合金（HEA）和镁合金（用于镁离子电池和氢存储）等领域开展了前沿研究。
你知道吗？
-第一种合金青铜已开发5000多年了，它是铜与少量锡的合金，开启了介于石器时代与铁器时代之间的青铜时代。
-据估计，高熵合金包含5920多亿种新的含有三到六种主元素（1）的CCA（浓缩复合合金）。太不可思议了。
深度学习
程序化合金设计是一个快速发展的领域。人工智能、机器学习和深入的专业知识使计算机能够“预测”合金的可行性，无需经过反复的物理实验和试错。Intellegens是该领域领先的公司之一，该公司利用算法开发了一种用于3D打印的直接激光沉积的新型镍基合金，缩短了大约15年研发时间，节约了1000万美元的研发成本。这家公司还与波音公司合作，通过机器学习优化开展新金属合金增材制造（AM），加速飞机零部件产品研发。Intellegens还与GKN合作开发了一种导热性更好的钛合金，用于3D打印飞机热交换器。
图1 德国一家公司的生物燃气储存罐采用Courtesy Outocump公司的Forta LDX 2404双相钢制造。
图2 使用智能机器学习工具Alchemite 设计用于增材制造的镍基高温合金的微观结构。该合金被设计用于燃气轮发动机的燃烧室的增材制造
3D打印
3D打印工艺为使用具有强化性能（特别是强度和加工硬化性）的金属粉末且以更低的成本制造复杂部件开辟了可能。这项新技术正在推动一系列用于3D打印的新材料开发，开发材料包含聚合物到铝合金、陶瓷、镍合金、钛合金、石墨烯和所谓的4D材料，4D材料是指3D材料后期经过加热、冷却改变外形，其中一种镍合金是EOS的镍合金HX，一种用于西门子燃气轮机的耐热合金。更温和的3D打印材料钢种也正在开发中，例如DEW的奥氏体Printdur HAS,一种比316L更强更硬的无镍金属粉末。通过添加铜来强化，3D打印生产出的钛合金比传统钛合金强度更高。
来自印度的新材料
印度的3D产业蓬勃发展，价值约710万美元，服务于航空航天、汽车、工程和医疗设备领域。然而，直到最近，印度才开始自主生产金属3D打印机。前两台均基于粉末冶金原理制作。2019年末，Wipro与印度科学院合作，推出了一种基于选择性电子束熔化技术的金属3D打印机。一个月后，Intech Additional Solutions发布了其iFusion打印机，该打印机采用选择性激光熔化技术，提供两种型号。尺寸较小的用于实验室和大学，尺寸较大的用于工厂。
新钢种
除了已经提到的钢种外，我们可以在此总结近年来的一些重要创新：
马氏体钢
DEW公司与舍弗勒股份公司合作生产的Corrodur 18合金是一种应用于轴承的含氮马氏体不锈钢。它具有高硬度、良好的抗冲击弯曲性能和良好的耐腐蚀性。
铁素体钢
汽车排气系统对铁素体的需求一直在上升。奥托昆普开发了一种高铬铁素体钢，Core 4622（EN 1.4622）,适用于表面包装、餐厅电梯和汽车行业。
奥氏体钢
青山在304钢的基础上开发了钢种QN1803/304D，镍含量更低，氮和铜含量更高。
奥托昆普开发的Supra 316plus含氮更高，21%的铬和较低的镍和钼。比起标准铬镍钼奥氏体钢，它具有更优的机械强度和耐腐蚀性。它可用于腐蚀性液体容器、建筑和多种工艺应用。浦项制铁已开发出PossFD，一种非常柔软、易于成型的奥氏体钢，用于替代制冷剂管道中的铜。
超级奥氏体钢
山特维克公司开发的钢种Sanicro 35弥补了不锈钢和镍基合金之间的空白，它兼具超级双相钢的耐腐蚀性和超级奥氏体钢的耐热性，适用于多行业的热交换器制造。
双相钢
一定温度范围内，这类材料作为多种奥氏体材料的替代品受到欢迎。近年来，精益超级双相不锈钢钢种有较大拓展。精益钢种满足了腐蚀程度轻微的结构件及承重应用中对低镍钢种的需求。阿勒格尼（Allegheny）向卡塔尔多哈一个新机场的世界上最大的不锈钢屋顶供应了ATI 2003TM钢。不久后奥托昆普推出了LDX 2101(Forta LDX 2101),成为工艺管道、空心管段和结构管道的理想选择材料，随后该公司开发了LDX 2404（Forta LDX 2404）用于储存罐、法兰、阀门、泄洪闸等，也适用于纸浆、生物能源、生物燃料和生物转化的某些应用。
图3 斯德哥尔摩的Folke Bernadotte大桥建造选用由奥托昆普生产的Forta LDX 2101材料
图4 朗格集团将奥托昆普的Supra 316plus用于制作液体运输容器，可减薄壁厚，降低容器总重量，且优异的耐腐蚀性使其能够承运腐蚀性液体
图5 增材制造中的激光应用
材料展望
奥托昆普成功促使NSSC公司开发出NSSC 2120钢种，作为化学品油轮的货罐和其他结构材料中304钢的替代材料。2019年，NSSC公司推出了升级版的2351钢种，可作为咸水区域、食品储罐和容器、制药行业中304和316钢的替代品。NSSC产品更侧重于易焊接性，而奥托昆普的对应钢种Forta FDX 25和Forta FDX 27设计具有更好的成型性。两种钢种都适用于板式换热器、泵部件、法兰和阀门，第二种钢种比第一种更耐腐蚀。大致同一时期，山特维特公司开发出超级双相钢，提高了耐腐蚀性，避免了深海油气设施处于酸性条件下的应力腐蚀开裂。开发的SAF 2507超级双相钢添加了高含量的铬、钼、氮，在氯化物环境（如海水）和高应力下耐极端腐蚀性。SAF 2707进一步添加合金元素，可用于更强酸性环境。
其他超级合金
除了上述为了满足3D打印需求开发的镍/钛合金，主要用于航空航天工业和义肢装备，还设计了一类用于特殊条件下提供高耐腐蚀或高强度的专用材料。美国亚利桑那州立大学和陆军研究实验室设计了一种超硬材料，是铜、钽合金，能够承受极端冲击和极端温度，是武装部队弹道防护应用的理想材料。
高熵合金
最后，一个重要的发展方向已聚焦于高熵合金（HEAs）,该系列合金已经开发了一段时间，但直到最近才引起更多关注，这极大受益于它们在3D打印领域的开发潜力，并且铝元素加速了它们的发展。（此外目前，尽管努力降低成本，它们的生产成本仍很高。）与过去的合金中基本元素（比如钢）添加少量其它材料的合金方式不同，高熵合金每原子量通常包含（取决于你如何定义它们）了相等或接近相等重量比例的三至五种元素。（正是这种比例上的相等增加了材料的熵。）人们发现，一些高熵合金相比常规合金具有更高的强度重量比、抗断裂性和抗拉强度，以及更大的耐腐蚀和抗氧化性。
抗氧化性与常规合金相比。高熵合金的示例包括：
•钒、铌、钼、钽、钨——即使在1400℃温度下，也具有高屈服强度，优于Inconel 718等高温合金；
•钴、铬、铁、锰、镍——是第一种铸态下具有单一铁素体固溶体相的高熵合金。它保持高耐断裂韧性，同时拥有低温力学性能， 低温下具有优良的延展性和屈服强度。
•铝0.5钴铬铜铁镍合金具有高疲劳寿命和耐久极限，可能超过传统的铁和钛合金。这些材料大部分仍处于测试阶段，用于浦项韩国科技大学（POSTECH）、德国马克斯-普朗克研究所和美国的NETL等机构进行的人工智能辅助研究。
高熵合金可广泛用于低温（制冷、LNG存储）、高温环境（燃气轮机发动机、喷气发动机）、储氢罐、抗辐射环境、电子器件、电磁屏蔽、涂料和抗菌材料。高熵合金由于其非凡的性能，是许多钛和镍合金可靠的替代品。
图6 钴铬铁锰镍高熵合金为面心立方的原子结构
结论
得益于制造技术和IT技术的最新进展，崭新的合金研发局面即将到来。这个新的周期是第二次工业革命（基于信息技术）不可或缺的组成部分，而且才刚刚开始。前面似乎有无限的可能性，许多新的可应用合金正待开发。
