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大國重器：近年來我國科學家在材料領域突破的“卡脖子”技術

2021-05-26 11:15:27 作者：材料人來源：虛谷納物分享至：

近些年來，我國在材料領域的基礎研究取得了非常大的進步。據不完全統計，我國在2019年的論文數就超越了美國，遙遙領先于其他國家。但是，論文數量僅僅是材料領域進步的冰山一角，解決重大工程的掐脖子問題并將其應用在大國重器上才是一個國家進步的根本體現。在國家最新的十四五規劃中，科技部和工信部已經把解決“卡脖子”技術列入了重要研發項目之中。同時，清華大學，上海交大，西工大等全國985著名高校正式將 “破五唯”體制列入規劃。由此可見，以論文論英雄的時代即將結束，取而代之的則是代表作、成果轉化以及科技產業經濟化。其實，近些年來，我國在“國之大器”，“卡脖子”等技術問題上還是取得了不少突破，有些打破了國外壟斷，有些則是首創，達到了國際先進或者領先水平。筆者今天給大家分享的正是這些花費科學家無數心血，但可歌可泣的技術以及背后的故事。

1）中國科學院金屬研究所李依依院士，李殿中和孫明月等人在國際上率先制備無焊縫整體不銹鋼大環

第四代核電具有許多優點，例如安全可靠，能源利用效率高且可持續性發展，許多國家，如美國、法國、日本等正在加快第四代核反應堆的建設。建造超大型核反應堆的需要相應地結構材料，其中一個關鍵問題是用于制造反應堆部件的重型工程結構的實用性。支撐環是反應堆的關鍵重型結構部件，可支撐整個反應堆容器和內部的7000多噸重量。此外，它也是反應堆容器的邊緣，在工作條件下會承受高壓，高溫以及其他颶風荷載，地震荷載和靜荷載。因此，支撐環的安全性和穩定性對于核反應堆至關重要。由于支撐環的最大直徑可達15.6 m，因此理論上將消耗200噸以上的不銹鋼。但是按照目前的冶煉技術，要實現他的一體成型技術，做出不含成分偏析、縮松和縮孔等缺陷的大環材是不可能的。以前，最常用的方法是制造焊接類型的支撐環，但是由于多次縱向焊接，支撐環的安全性和穩定性將大打折扣。這會造成材料的壽命縮短，嚴重造成資源浪費，給四代核電的發展形成空前的挑戰。中國科學院金屬研究所李依依院士，李殿中和孫明月研究員等人獨辟蹊徑，在全球率先發明金屬構筑成形技術。該技術以多塊小尺寸均質化板坯作為基元，通過表面活化、真空封裝、高溫形變等手段，使構筑界面與基體完全一致，進而獲得大鍛件所需均質化母材，實現“以小制大”的新型制造。實現了世界上最大的整體式無焊支撐環（φ= 15.6 m）構筑成型。與必須通過較大的毛坯進行重型鍛造的傳統觀念形成鮮明對比的是，該技術的核心思想是通過建造更小，更便宜的金屬板來制造大型的高質量零件。在這個巨型環上，根本不存在所謂的焊縫，整體性能得到了顯著提升，已經成功的運用于我國的第四代核電站反應堆制造，取得了顯著的經濟效益。得到了多位院士專家及企業的認可，并被評價為大構件制造領域的一項變革性技術。該技術具有低成本、高品質、質量穩定及綠色環保等優勢，成為當前大環件制造的一種重要新興技術。然而，雖然金屬構筑技術能夠制造高品質大型鍛件鋼坯，但由于該技術需要采用真空電子束封焊，對于一些難焊、不可焊金屬，采用構筑技術則不能實現。該技術入選“共和國成就發展巡禮”，在央視多次播出。未來，這項技術有望解決艦船、核電、航天等戰略性裝備核心部件制造的難題，使我國工業發展實現質的飛躍。

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圖1 采用多層熱壓粘結法制造無焊縫不銹鋼鍛造環的工藝。首先對316不銹鋼鑄坯表面進行清理、整齊堆放，然后用電子束焊機進行真空封裝。然后對整個包體進行熱壓粘合，界面完全愈合后成型為初始坯料形狀進行二次熱壓粘合。接下來，兩個初始的鋼坯再被電子束焊機真空包裝，然后熱壓結合成環軋制所需的大鋼坯。隨后進行沖孔、拉削、軋制，最終得到一個完整的支撐環[1]。

2）金屬所楊銳教授突破TiAl航空發動機葉片一體成型技術

航空發動機是飛機的心臟，而渦輪葉片又是發動機的心臟。這款心臟的動力往往取決于制備它的材料是否過關。目前，航空發動機的壓氣機和低壓渦輪輪葉片采用的是鎳基高溫合金。這種合金在600-1000℃范圍之類具有較高的強度和耐蝕性，但鎳的密度大，質量重。眾所周知，減重是航空工業一直追求的目標。我國首款五代機殲20總師楊偉曾說過，減重飛機一克價值一兩黃金。由此可見，減重在航空工業是多么的重要。相較而言，鈦鋁合金的密度僅為鎳基高溫合金的一半，而且在650-850℃的服役溫度范圍內，具有更優異的力學性能，讓其替代鎳基高溫合金則會大幅度的實現發動機的減重，提高飛機能源利用率（約為30%）。因此，用鈦鋁合金做發動機葉片一直是國內外航空發動機生產商的追求。為了降低成本，還要求葉片一體成型。而鈦的活性極強，只有氧化釔一種材料可以作為制作葉片的容器，可這種材料表面是粉末狀的，會影響葉片精度，德國科學家甚至通過計算機模擬得出結論，這是不可能完成的任務。中國科學院金屬研究所研究員楊銳帶領多個學科的科學家，歷經10年的時間，經過無數次失敗之后，終于成功調制出一種粘結劑，解決了鈦鋁合金葉片的容器問題，成功了實現葉片一體澆筑成型，完成了這個不可能完成的任務。他們終于破解讓氧化釔不再掉渣的難題，一體成型的鈦鋁合金葉片也隨之誕生。雖然這只是一個開端，但讓中國人有勇氣展望未來屬于自己的航空發動機。

3）西工大劉東團隊強力旋軋技術（PTR）破解國內高端軸承鋼難題

從汽車、高鐵、飛機到儀器儀表、機械裝備，你幾乎能從所有旋轉的機械中尋找到一個共同的核心部件——軸承。而制造軸承所需的材料——軸承鋼，被譽為“鋼中之王”。一直以來，高質量的軸承鋼的生產技術被國外巨頭卡脖子。很多國內企業無法從國內廠家尋求到符合高使用需求的軸承鋼，不得不花高價進口，這使得他們叫苦連連。擁擠自主產權的核心技術，擺脫對國外的依賴，一直是人們的愿望。雖然我國很早就已經成為了“鋼鐵大國”，但是距離“鋼鐵強國”的夢想還有一段路要走。一直以來，我國所生產的軸承鋼質量與國際先進水平有較大差距。以夾雜物為例，國外產品夾雜物尺寸完全小于等于10微米，而國內最大粒徑達到50-52μm，大小相差五倍之多。軸承的工作環境嚴峻而復雜，不僅需要高速穩定的旋轉，而且還要承受強力的擠壓、摩擦，甚至超高溫的歷練。因而對軸承鋼的質量和可靠性提出了更為嚴苛的要求。就在今年，西北工業大學材料學院劉東教授和其團隊研發的強力旋軋技術（PTR），打破國外巨頭技術壟斷，突破我國軸承鋼“卡脖子”技術，成功了破解行業難題。如何生產高質量的軸承鋼？一是內部足夠純凈，夾雜物質越少越好；二是足夠均勻，材料內的顆粒物盡量細小、彌散。“強力旋軋技術”利用曼內斯曼效應，在徑向軋制的同時施加強力旋轉，依靠連續局部壓扭復合變形，實現軸承管材碳化物均勻細小彌散。就像在揉面的時候讓面的3個方向都變形，而且變形數值非常大，這樣就可以把面揉的又透又勁道。劉東教授和團隊“十年磨一劍”，經過不斷攻關測試，終于突破技術瓶頸，研究出3個世界首創，申請到66項發明專利，強力旋軋技術就是其中一項。運用強力旋軋（PTR）技術，晶粒尺寸可由原來的50μm細化至10μm，碳化物尺寸僅為原先的1/10。首次將100年來，一直徘徊在600-700HV的GCr15軸承鋼硬度提高至900HV以上，處于世界頂尖水平。除此以外，采用該技術后軸承壽命和可靠性得到大幅度提高，平均壽命達到計算壽命的26倍，可靠性達99.9%。更令人驚喜的是，本技術可以顯著提高材料利用率，且生產流程可縮短2/3，真正在綠色發展上見實效。通過這項技術改性后的軸承鋼已在多個項目中得到運用，完全能夠滿足高端質量要求，將該技術運用到其他材料中，也取得了非常良好的效果，運用于鈦合金和高溫合金中屬于世界首創。

圖2 較于傳統技術，PTR技術單道次晶粒細化程度高[2]

另外，經過長期的科研攻關，劉東教授團隊還先后突破近10項關鍵技術，極大地提升了航空發動機性能，讓著顆現代工業皇冠上的明珠更亮、更耀眼。出于保密原因，這些關鍵技術叫什么名字，通過哪些工藝實現，筆者在這里不得而知。唯一知曉的是在2020年1月，因為這項貢獻，團隊負責人劉東教授在人民大會堂，從國家領導人手中，接過國家級獲獎證書。

4）由西南鋁牽頭研究開發的5m級鋁合金異形環試制取得重大突破；

鋁合金在生活中非常常見，同時高質量的鋁合金在航空航天等工業有著非常重要的應用。到目前為止，鋁合金的大規格棒材，板材均已經成熟，但是大規格鋁合金異形環件在國內研究尚為空白。大規格環材在航天事業上可謂要求迫切。但要突破這項技術，需從鍛造開坯、異形環軋制、熱處理方面開展系統的研究工作，技術難度非常大。現階段的工業中大型環件多為矩形環件，厚度大，穩定性差，不能滿足高性能輕質火箭要求，而一體成型的異形環件，材料利用率高，且在性能和流線上都具有較大優勢。為此，西南鋁通過仿真模擬輔助軋制成形技術，設計出了6種坯料的形狀尺寸、模具，在建立環件軋制仿真過程中，應用單一變量原則對驅動輥轉速、芯輥進給速度、抱輥運動曲線等參數進行優化設計，制定合理的生產工藝。經過3年的反復攻關，西南鋁根據試制結果不斷調整優化方案，解決了異形環件在生產過程中產生振動、爬輥等問題，獲得了成形效果良好、性能穩定的環件，為后續生產奠定基礎。此異形環件為某重點型號工程用關鍵構件--貯箱過渡環。相比傳統矩形環件，此異形環件投料節省40%左右，大大減小投料鑄錠直徑，增大變形程度和提高熱處理效果。

圖3 西南鋁牽頭研究開發的5m級鋁合金異形環[3]

5）金屬所鈦合金團隊在“奮斗號”萬米全海深鈦合金取得突破；

全海深載人潛水器是難度極高的工程裝備，尤其是在潛入海深10000米時，材料將受到巨大的水壓，這就要求其具有非常高的強度，另外為了成型，材料還必須要有良好的塑性。另外，材料的焊接性必須良好，且焊接后的焊縫必須要具有良好的性能。要開發出這樣綜合性能優異的材料，對材料專家來說，挑戰難度非常大。由金屬所牽頭，聯合寶鈦股份有限公司和中國船舶集團公司洛陽船舶材料研究所，發揮三家單位的技術優勢，組建了全海深鈦合金載人艙研制國家隊，開發并集成應用了多項鈦合金材料技術和焊接加工技術，攻克了一系列關鍵技術瓶頸，填補了多項國、國際技術空白，整體達到了國際領先地位水平，揭開了深海材料的劃時代意義。其研制Ti62A鈦合金，其韌性和可焊性與Ti64相當，強度提高20%。成功解決了載人艙材料所面臨的強度、韌性和可焊性等難題。

6）潘錦功成功研發碲化鎘太陽能發電玻璃，發明34項自主專利

說起錢學森，在科技界恐怕無人不知，無人不曉。他為我國的兩彈一星事業做出了極大地貢獻，具體涉及到航天、導彈以及火箭。可以說，他的回歸，直接讓中國的航天事業提前推進20年。對于這樣一位愛國的科學家，筆者心里由衷的敬佩。其實中國又出了一個“錢學森”，他就是“發電玻璃”的創始人潘錦功。

煤、石油為不可再生資源，隨著社會的發展，他們的儲備早已入不敷出，逐漸枯竭，尋找可再生能源已是迫在眉睫。太陽能是一種取之不竭，用之不盡的能源，是目前為止最為安全、高校以及環保的資源，超越了風能和核能。目前所用的太陽能電池板價格高昂，而且轉化率也不高。

在潘錦功博士及其團隊的努力下，2017年他們制作出具有中國完全自主知識產權的“發電玻璃”。這項技術領先國際，可以為未來的能源問題提供一條坦途。可以毫不夸張地說，這項發明足以改變世界。這種發電玻璃制備工藝簡單，只需要在普通普通玻璃上，均勻涂抹4微米厚的碲化鎘光電薄膜。而且生產一塊面積1.9平方米的發電玻璃，只需要55秒。它可以用于可導電，可發電的半導體材料。同時，這塊玻璃的光電轉化率達到17.8%，足以媲美傳統太陽能板。1.92平方米的“發電玻璃”，每年產生260度到270度的電，只需兩三塊就能供一個家庭的全年用電，三四千塊玻璃的發電量堪比一口普通油田一年產油所轉化的電量。

現代的城市生活可謂是燈紅酒綠，各種商業活動，居民用電等嚴重消耗著世界的能源。如果將建筑物中的玻璃，全部改為發電玻璃，就可以大大節煤炭發電廠的能源，而且很方便的給用戶提供電力保障。有人統計過，中國將近有400多億平方米的建筑，如果全部改為發電玻璃，其發電量相當于建設30個三峽水電站。如此一來，每年將節約的資源堪稱天文數字，除了用在建筑上之外，這種玻璃還能用于軍事。在野外，只需要帶上一小塊玻璃，就能夠保障軍區通訊基站的用電需求。它甚至還能被鋪在路面上，如果用于電動汽車，那么這樣的路面可以別隨時用作移動充電站。甚至于將汽車玻璃改造成“發電玻璃”。能夠直接為汽車提供能源。看完這些，大家恐怕就知道這款發電玻璃有多魔性了吧。

圖4 普通發電玻璃展示 [4]

參考文獻：

[1] Mingyue Sun, Bin Xu, Bijun Xie, Dianzhong Li, Yiyi Li. Leading manufacture of the large-scale weldless stainless steel forging ring: Innovative approach by the multilayer hot-compression bonding technology. Journal of Materials Science & Technology 71 （2021） 84–86.

[2] 西北工業大學公眾號，2021.03.31

[3] 中鋁西南鋁業官網。

[4] 葉濤，周書婷，四川省創新專家、成都中建材光電材料有限公司總經理潘錦功：用材料革命推動產業革命。《產城》，2019.

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