李殿中:“死磕”材料核心技术

    在材料领域,中科院金属所研究员李殿中和核心技术“死磕”的劲头,是出了名的。

    前不久,全球在建规模最大、单机容量最大、技术难度最高的水电工程——金沙江白鹤滩水电站首批两台机组投产发电。该水电站100万千瓦发电机组最核心的部件——水轮机转轮,采用的正是李殿中团队研发的高温合金相控制技术。这项具有自主知识产权的关键技术,成功解决了相关器件依赖进口的难题。

    1998年,李殿中来到中科院金属研究所工作,组成十多人的科研团队,攻克相关核心技术难题。

    在工业生产中,大国重器所需的大锻件,如核电压力容器、大型船用曲轴等,都是先做出大钢锭,再由钢锭加工成形。这意味着,钢锭的质量,在很大程度上决定着大国重器的成功。

    李殿中发现,一些大型钢锭不合格的主要问题,在于其内部成分不均匀。为了弄清楚这一问题是如何发生的,李殿中决定把钢锭剖开,看看钢锭里边到底发生了什么。

    这一大胆想法,一经抛出便遭到很多人的质疑——解剖钢锭不仅成本高,而且周期很长。

    可李殿中却坚信,要解决问题,必须做好基础研究的源头工作,知其然,还要知其所以然。

    没有项目资助,他就四处筹集资金。最终,直径2.4米、高3.5米、重100多吨的大钢锭被一剖为二。

    从剖开的横断面上看,成分分布不均匀,内部存在很多孔洞和裂纹,这是导致钢锭易报废的主要原因。

    李殿中认为,这些问题的形成,是氧在钢中起到了关键作用,以氧化物为核心的轻质夹杂物,与凝固界面的交互作用,诱发了钢锭的成分不均匀性,因此,通过控制钢水中的氧含量,就能显著减少夹杂物的数量和尺寸,实现钢的均质性。

    2014年,他根据实验结果撰写的论文,在国际学术期刊《自然·通讯》发表,该篇论文引发学界较大反响,此后,“控氧可有效控制偏析”机理成为行业共识。

    稀土被称为“工业维生素”,我国科研人员很早就开始稀土钢的研发,但在钢中加入稀土后,其性能时好时坏,生产过程中也容易堵塞浇口,多年未能突破技术瓶颈。

    2007年,李殿中在一次考察中发现,国外利用中国稀土制作钢锭,钢的品质非常好,“为什么他们用稀土能用得这么好,我们就不能呢?”

    带着不解与不服输,李殿中带领团队进行了反复实验,但加入了稀土的钢性能总是不稳定。问题到底出在哪?

    他亲自跑到稀土生产现场,观察稀土厂家的冶炼过程。

    原来,稀土厂家做出来的稀土和他所需要的稀土,在概念上存在偏差。厂家为了让稀土更为纯净,将其中的一些铁、碳等元素都分离了出去。而李殿中经过前期的实验分析认为,稀土中的铁、碳,对于炼钢来说正是不可缺少的成分,反倒是影响纯度的氧等杂质元素,应予去除。

    李殿中将稀土带回中科院金属所亲自冶炼,之后将低氧纯净稀土直接用于炼钢中。

    不出所料,炼出来的钢不仅性能稳定,且有着耐磨、耐热、耐蚀的优点。

    “1吨钢,只需加入100克左右的微量稀土,即可起到细化变质夹杂、深度净化钢液和强烈微合金化作用,成本只增加了10多元,但疲劳性能却可以提升一个数量级。”李殿中说。

    在这场稀土钢的技术攻坚战中,李殿中带领团队“点石成金”,将稀土应用于高端轴承钢、齿轮钢和模具钢制造中,为高端基础零部件研制提供强有力支撑。

    稀土钢技术突破了,李殿中又迎来了新的挑战。

    在能源电力、海洋工程中的核心部件——大锻件,对材料的均质性有极高要求,如何提升其冶金品质成为世界性难题。

    造成这一问题的根本原因,在于大锻件制备一直采取“以大制大”手段,即先冶铸大钢锭,再制造大构件,由于金属凝固过程存在尺寸效应,规格越大的钢锭冷速越慢,导致其性能上的缺陷。

    在钢厂中,工人师傅经常要放一挂鞭炮,来祝愿大型钢锭的浇铸成功——大钢锭浇注需要准备多包钢水,生产组织难度大。李殿中下定决心要解决这个问题。

    偶然中,一张万里长城的照片给了李殿中启发。

    恢弘壮美的万里长城并不是一块砖造出来的,而是一块一块砖叠加起来的,那么,为什么不能采用“以小制大”的方式把一块块的小型钢板砌起来形成大锻件?

    实验中,在李依依院士的支持下,李殿中带领孙明月、徐斌等工作人员,发明了金属构筑成形方法,即将多块钢板采用高温冶金连接工艺,充分愈合界面,实现界面与基体完全一致的无痕连接。

    有时,他要坐10多个小时的车才能到达钢厂,顾不上休息,白天跟企业管理人员、工程师和工人讨论技术和流程,晚上进行生产实验。

    最终,生产实践证实,通过这种方式构筑成形的大锻件,其性能稳定性要明显优于传统锻件。该研究成果入选“壮丽70年·奋斗新时代——共和国发展成就巡礼”,金属构筑成形技术也获得了2021年中国专利金奖。

    “创新从来都是九死一生”,对李殿中来说,虽是如此,胸中却仍常怀“亦余心之所善兮,虽九死其犹未悔”的豪情。在他看来,只有实现原始创新,才能真正实现核心技术的突破。

中青报·中青网记者 邱晨辉 来源:中国青年报

2021年08月10日 12 版