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大國重器：近年來我國科學(xué)家在材料領(lǐng)域突破的“卡脖子”技術(shù)

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(lǐng)域的基礎(chǔ)研究取得了非常大的進(jìn)步。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國在2019年的論文數(shù)就超越了美國，遙遙領(lǐng)先于其他國家。但是，論文數(shù)量僅僅是材料領(lǐng)域進(jìn)步的冰山一角，解決重大工程的掐脖子問題并將其應(yīng)用在大國重器上才是一個國家進(jìn)步的根本體現(xiàn)。在國家最新的十四五規(guī)劃中，科技部和工信部已經(jīng)把解決“卡脖子”技術(shù)列入了重要研發(fā)項目之中。同時，清華大學(xué)，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(guī)劃。由此可見，以論文論英雄的時代即將結(jié)束，取而代之的則是代表作、成果轉(zhuǎn)化以及科技產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)化。其實，近些年來，我國在“國之大器”，“卡脖子”等技術(shù)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(chuàng)，達(dá)到了國際先進(jìn)或者領(lǐng)先水平。筆者今天給大家分享的正是這些花費科學(xué)家無數(shù)心血，但可歌可泣的技術(shù)以及背后的故事。

1）中國科學(xué)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(huán)

第四代核電具有許多優(yōu)點，例如安全可靠，能源利用效率高且可持續(xù)性發(fā)展，許多國家，如美國、法國、日本等正在加快第四代核反應(yīng)堆的建設(shè)。建造超大型核反應(yīng)堆的需要相應(yīng)地結(jié)構(gòu)材料，其中一個關(guān)鍵問題是用于制造反應(yīng)堆部件的重型工程結(jié)構(gòu)的實用性。支撐環(huán)是反應(yīng)堆的關(guān)鍵重型結(jié)構(gòu)部件，可支撐整個反應(yīng)堆容器和內(nèi)部的7000多噸重量。此外，它也是反應(yīng)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(fēng)荷載，地震荷載和靜荷載。因此，支撐環(huán)的安全性和穩(wěn)定性對于核反應(yīng)堆至關(guān)重要。由于支撐環(huán)的最大直徑可達(dá)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(shù)，要實現(xiàn)他的一體成型技術(shù)，做出不含成分偏析、縮松和縮孔等缺陷的大環(huán)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(huán)，但是由于多次縱向焊接，支撐環(huán)的安全性和穩(wěn)定性將大打折扣。這會造成材料的壽命縮短，嚴(yán)重造成資源浪費，給四代核電的發(fā)展形成空前的挑戰(zhàn)。中國科學(xué)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(fā)明金屬構(gòu)筑成形技術(shù)。該技術(shù)以多塊小尺寸均質(zhì)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(gòu)筑界面與基體完全一致，進(jìn)而獲得大鍛件所需均質(zhì)化母材，實現(xiàn)“以小制大”的新型制造。實現(xiàn)了世界上最大的整體式無焊支撐環(huán)（φ= 15.6 m）構(gòu)筑成型。與必須通過較大的毛坯進(jìn)行重型鍛造的傳統(tǒng)觀念形成鮮明對比的是，該技術(shù)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(zhì)量零件。在這個巨型環(huán)上，根本不存在所謂的焊縫，整體性能得到了顯著提升，已經(jīng)成功的運用于我國的第四代核電站反應(yīng)堆制造，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。得到了多位院士專家及企業(yè)的認(rèn)可，并被評價為大構(gòu)件制造領(lǐng)域的一項變革性技術(shù)。該技術(shù)具有低成本、高品質(zhì)、質(zhì)量穩(wěn)定及綠色環(huán)保等優(yōu)勢，成為當(dāng)前大環(huán)件制造的一種重要新興技術(shù)。然而，雖然金屬構(gòu)筑技術(shù)能夠制造高品質(zhì)大型鍛件鋼坯，但由于該技術(shù)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(gòu)筑技術(shù)則不能實現(xiàn)。該技術(shù)入選“共和國成就發(fā)展巡禮”，在央視多次播出。未來，這項技術(shù)有望解決艦船、核電、航天等戰(zhàn)略性裝備核心部件制造的難題，使我國工業(yè)發(fā)展實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

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

2）金屬所楊銳教授突破TiAl航空發(fā)動機(jī)葉片一體成型技術(shù)

航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的心臟，而渦輪葉片又是發(fā)動機(jī)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(guān)。目前，航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)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(qiáng)度和耐蝕性，但鎳的密度大，質(zhì)量重。眾所周知，減重是航空工業(yè)一直追求的目標(biāo)。我國首款五代機(jī)殲20總師楊偉曾說過，減重飛機(jī)一克價值一兩黃金。由此可見，減重在航空工業(yè)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(nèi)，具有更優(yōu)異的力學(xué)性能，讓其替代鎳基高溫合金則會大幅度的實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的減重，提高飛機(jī)能源利用率（約為30%）。因此，用鈦鋁合金做發(fā)動機(jī)葉片一直是國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)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(qiáng)，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(xué)家甚至通過計算機(jī)模擬得出結(jié)論，這是不可能完成的任務(wù)。中國科學(xué)院金屬研究所研究員楊銳帶領(lǐng)多個學(xué)科的科學(xué)家，歷經(jīng)10年的時間，經(jīng)過無數(shù)次失敗之后，終于成功調(diào)制出一種粘結(jié)劑，解決了鈦鋁合金葉片的容器問題，成功了實現(xiàn)葉片一體澆筑成型，完成了這個不可能完成的任務(wù)。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(fā)動機(jī)。

3）西工大劉東團(tuán)隊強(qiáng)力旋軋技術(shù)（PTR）破解國內(nèi)高端軸承鋼難題

從汽車、高鐵、飛機(jī)到儀器儀表、機(jī)械裝備，你幾乎能從所有旋轉(zhuǎn)的機(jī)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(yù)為“鋼中之王”。一直以來，高質(zhì)量的軸承鋼的生產(chǎn)技術(shù)被國外巨頭卡脖子。很多國內(nèi)企業(yè)無法從國內(nèi)廠家尋求到符合高使用需求的軸承鋼，不得不花高價進(jìn)口，這使得他們叫苦連連。擁擠自主產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，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(jīng)成為了“鋼鐵大國”，但是距離“鋼鐵強(qiáng)國”的夢想還有一段路要走。一直以來，我國所生產(chǎn)的軸承鋼質(zhì)量與國際先進(jìn)水平有較大差距。以夾雜物為例，國外產(chǎn)品夾雜物尺寸完全小于等于10微米，而國內(nèi)最大粒徑達(dá)到50-52μm，大小相差五倍之多。軸承的工作環(huán)境嚴(yán)峻而復(fù)雜，不僅需要高速穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，而且還要承受強(qiáng)力的擠壓、摩擦，甚至超高溫的歷練。因而對軸承鋼的質(zhì)量和可靠性提出了更為嚴(yán)苛的要求。就在今年，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院劉東教授和其團(tuán)隊研發(fā)的強(qiáng)力旋軋技術(shù)（PTR），打破國外巨頭技術(shù)壟斷，突破我國軸承鋼“卡脖子”技術(shù)，成功了破解行業(yè)難題。如何生產(chǎn)高質(zhì)量的軸承鋼？一是內(nèi)部足夠純凈，夾雜物質(zhì)越少越好；二是足夠均勻，材料內(nèi)的顆粒物盡量細(xì)小、彌散。“強(qiáng)力旋軋技術(shù)”利用曼內(nèi)斯曼效應(yīng)，在徑向軋制的同時施加強(qiáng)力旋轉(zhuǎn)，依靠連續(xù)局部壓扭復(fù)合變形，實現(xiàn)軸承管材碳化物均勻細(xì)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(shù)值非常大，這樣就可以把面揉的又透又勁道。劉東教授和團(tuán)隊“十年磨一劍”，經(jīng)過不斷攻關(guān)測試，終于突破技術(shù)瓶頸，研究出3個世界首創(chuàng)，申請到66項發(fā)明專利，強(qiáng)力旋軋技術(shù)就是其中一項。運用強(qiáng)力旋軋（PTR）技術(shù)，晶粒尺寸可由原來的50μm細(xì)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(shù)后軸承壽命和可靠性得到大幅度提高，平均壽命達(dá)到計算壽命的26倍，可靠性達(dá)99.9%。更令人驚喜的是，本技術(shù)可以顯著提高材料利用率，且生產(chǎn)流程可縮短2/3，真正在綠色發(fā)展上見實效。通過這項技術(shù)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(zhì)量要求，將該技術(shù)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(chuàng)。

圖2 較于傳統(tǒng)技術(shù)，PTR技術(shù)單道次晶粒細(xì)化程度高[2]

另外，經(jīng)過長期的科研攻關(guān)，劉東教授團(tuán)隊還先后突破近10項關(guān)鍵技術(shù)，極大地提升了航空發(fā)動機(jī)性能，讓著顆現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠更亮、更耀眼。出于保密原因，這些關(guān)鍵技術(shù)叫什么名字，通過哪些工藝實現(xiàn)，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(xiàn)，團(tuán)隊負(fù)責(zé)人劉東教授在人民大會堂，從國家領(lǐng)導(dǎo)人手中，接過國家級獲獎證書。

4）由西南鋁牽頭研究開發(fā)的5m級鋁合金異形環(huán)試制取得重大突破；

鋁合金在生活中非常常見，同時高質(zhì)量的鋁合金在航空航天等工業(yè)有著非常重要的應(yīng)用。到目前為止，鋁合金的大規(guī)格棒材，板材均已經(jīng)成熟，但是大規(guī)格鋁合金異形環(huán)件在國內(nèi)研究尚為空白。大規(guī)格環(huán)材在航天事業(yè)上可謂要求迫切。但要突破這項技術(shù)，需從鍛造開坯、異形環(huán)軋制、熱處理方面開展系統(tǒng)的研究工作，技術(shù)難度非常大。現(xiàn)階段的工業(yè)中大型環(huán)件多為矩形環(huán)件，厚度大，穩(wěn)定性差，不能滿足高性能輕質(zhì)火箭要求，而一體成型的異形環(huán)件，材料利用率高，且在性能和流線上都具有較大優(yōu)勢。為此，西南鋁通過仿真模擬輔助軋制成形技術(shù)，設(shè)計出了6種坯料的形狀尺寸、模具，在建立環(huán)件軋制仿真過程中，應(yīng)用單一變量原則對驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速、芯輥進(jìn)給速度、抱輥運動曲線等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，制定合理的生產(chǎn)工藝。經(jīng)過3年的反復(fù)攻關(guān)，西南鋁根據(jù)試制結(jié)果不斷調(diào)整優(yōu)化方案，解決了異形環(huán)件在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生振動、爬輥等問題，獲得了成形效果良好、性能穩(wěn)定的環(huán)件，為后續(xù)生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。此異形環(huán)件為某重點型號工程用關(guān)鍵構(gòu)件--貯箱過渡環(huán)。相比傳統(tǒng)矩形環(huán)件，此異形環(huán)件投料節(jié)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(fā)的5m級鋁合金異形環(huán)[3]

5）金屬所鈦合金團(tuán)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(qiáng)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(fā)出這樣綜合性能優(yōu)異的材料，對材料專家來說，挑戰(zhàn)難度非常大。由金屬所牽頭，聯(lián)合寶鈦股份有限公司和中國船舶集團(tuán)公司洛陽船舶材料研究所，發(fā)揮三家單位的技術(shù)優(yōu)勢，組建了全海深鈦合金載人艙研制國家隊，開發(fā)并集成應(yīng)用了多項鈦合金材料技術(shù)和焊接加工技術(shù)，攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，填補(bǔ)了多項國、國際技術(shù)空白，整體達(dá)到了國際領(lǐng)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(dāng)，強(qiáng)度提高20%。成功解決了載人艙材料所面臨的強(qiáng)度、韌性和可焊性等難題。

6）潘錦功成功研發(fā)碲化鎘太陽能發(fā)電玻璃，發(fā)明34項自主專利

說起錢學(xué)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(yè)做出了極大地貢獻(xiàn)，具體涉及到航天、導(dǎo)彈以及火箭。可以說，他的回歸，直接讓中國的航天事業(yè)提前推進(jìn)20年。對于這樣一位愛國的科學(xué)家，筆者心里由衷的敬佩。其實中國又出了一個“錢學(xué)森”，他就是“發(fā)電玻璃”的創(chuàng)始人潘錦功。

煤、石油為不可再生資源，隨著社會的發(fā)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(huán)保的資源，超越了風(fēng)能和核能。目前所用的太陽能電池板價格高昂，而且轉(zhuǎn)化率也不高。

在潘錦功博士及其團(tuán)隊的努力下，2017年他們制作出具有中國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“發(fā)電玻璃”。這項技術(shù)領(lǐng)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(fā)明足以改變世界。這種發(fā)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(chǎn)一塊面積1.9平方米的發(fā)電玻璃，只需要55秒。它可以用于可導(dǎo)電，可發(fā)電的半導(dǎo)體材料。同時，這塊玻璃的光電轉(zhuǎn)化率達(dá)到17.8%，足以媲美傳統(tǒng)太陽能板。1.92平方米的“發(fā)電玻璃”，每年產(chǎn)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(fā)電量堪比一口普通油田一年產(chǎn)油所轉(zhuǎn)化的電量。

現(xiàn)代的城市生活可謂是燈紅酒綠，各種商業(yè)活動，居民用電等嚴(yán)重消耗著世界的能源。如果將建筑物中的玻璃，全部改為發(fā)電玻璃，就可以大大節(jié)煤炭發(fā)電廠的能源，而且很方便的給用戶提供電力保障。有人統(tǒng)計過，中國將近有400多億平方米的建筑，如果全部改為發(fā)電玻璃，其發(fā)電量相當(dāng)于建設(shè)30個三峽水電站。如此一來，每年將節(jié)約的資源堪稱天文數(shù)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(qū)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(fā)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(fā)電玻璃有多魔性了吧。

圖4 普通發(fā)電玻璃展示 [4]

參考文獻(xiàn)：

[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(yè)大學(xué)公眾號，2021.03.31

[3] 中鋁西南鋁業(yè)官網(wǎng)。

[4] 葉濤，周書婷，四川省創(chuàng)新專家、成都中建材光電材料有限公司總經(jīng)理潘錦功：用材料革命推動產(chǎn)業(yè)革命。《產(chǎn)城》，2019.

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