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中科院金属所|科学闪光者 李殿中：“死磕”材料核心技术

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中科院金属所|科学闪光者 李殿中：“死磕”材料核心技术
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李殿中中科院金属所供图
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 。
【中科院金属所|科学闪光者 李殿中：“死磕”材料核心技术】中青报·中青网采访人员 邱晨辉 来源：中国青年报 （ 2021年08月10日 12 版）

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