本文轉(zhuǎn)自微信公眾號(hào)“科學(xué)大院”（ID：kexuedayuan)丨作者：趙龍哲

世界最大無焊縫奧氏體不銹鋼整體環(huán)形鍛件于3月12日10時(shí)整在濟(jì)南成功軋制。它將作為我國(guó)第四代核電機(jī)組核心部件的支承環(huán)，不但是壓力容器邊界、安全屏障，而且結(jié)構(gòu)上需承受7000噸重量，堪稱整個(gè)堆容器的“脊梁”。

Φ15.6米堆容器支承環(huán)鍛坯 （圖片來源：作者提供）

我們先看一下這個(gè)巨型環(huán)的成功研制打破了哪些世界紀(jì)錄吧。

1.世界首創(chuàng)金屬構(gòu)筑成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了200噸級(jí)金屬鋼坯分級(jí)構(gòu)筑成形。

2.創(chuàng)造了世界最重單體不銹鋼坯料的世界紀(jì)錄（150噸）。

3.創(chuàng)造了世界最大直徑不銹鋼環(huán)形鍛件的世界紀(jì)錄（直徑15.6米）。

這個(gè)巨型環(huán)到底牛在哪里？

大鑄錠是大鍛件的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)大鍛件制造通常使用“以大制大”的方法，即鍛造母材一定要大于成型工件，按照這種測(cè)算方法，本次制造的大鍛件至少需要澆鑄一個(gè)單重250噸的鋼錠。

但是，大斷面鋼錠的凝固過程存在明顯的“尺寸效應(yīng)”，即鋼錠尺寸越大，凝固時(shí)間越長(zhǎng)，冷卻速度越慢，鋼錠偏析、疏松、粗晶現(xiàn)象越嚴(yán)重。之前，單重250噸級(jí)不銹鋼鋼錠的冶煉在世界上是前所未有的，可見其冶煉難度之大。

受特種冶金設(shè)備能力的限制，傳統(tǒng)上制造這種巨型環(huán)鍛件，國(guó)內(nèi)外都是采用分段制造，然后拼焊完成。對(duì)于這么大的環(huán)形鍛件，上面就要有7-8條焊縫，焊縫這個(gè)位置材料性能是非常薄弱的，在構(gòu)件服役過程中就會(huì)存在一些安全隱患，這也就是我們所說的“木桶效應(yīng)”。

為了攻克這一難題，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所李依依院士團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑在全球率先提出了“以小制大”的金屬構(gòu)筑成形技術(shù)，通過使用數(shù)十塊小型板坯，經(jīng)分組封焊，多次構(gòu)筑，成功制造了200噸級(jí)原料鋼坯，并整體軋制成形。在這個(gè)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。

Φ15.6米不銹鋼整體軋制 （圖片來源：作者提供）

鋼鐵行業(yè)顛覆性技術(shù)：煉鋼也像蓋房子

那到底什么是金屬構(gòu)筑成形技術(shù)呢？

金屬構(gòu)筑成形技術(shù)是由李依依院士團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先提出的。這項(xiàng)技術(shù)突破了金屬構(gòu)件的母材只能比其更大的傳統(tǒng)思維，巧妙地借鑒建筑領(lǐng)域的“砌墻”原理，將多塊均質(zhì)化板坯通過表面清潔處理、真空封裝后，在高溫下大變形實(shí)現(xiàn)固態(tài)冶金連接，充分愈合界面，實(shí)現(xiàn)界面與基體完全一致的“無痕”連接。核心思想是“化整為零，以小制大”，能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)均質(zhì)化大鍛件的制備，是增材制造技術(shù)在大構(gòu)件制造領(lǐng)域的新突破。

一磚一瓦構(gòu)建的長(zhǎng)城（圖片來源：Veer圖庫）

金屬構(gòu)筑成形技術(shù)示意圖（圖片來源：作者提供）

通俗地說，萬里長(zhǎng)城是由一磚一瓦構(gòu)建而成，類似地，金屬構(gòu)筑成形技術(shù)也是受到建筑學(xué)的啟發(fā)，將多塊金屬板通過某種技術(shù)“構(gòu)建”成一個(gè)大鋼錠，然后通過后續(xù)成形處理，得到我們想要的形狀。也就是說想蓋多大的房子就用多少磚，完全不用考慮材料浪費(fèi)的問題，更不用考慮蓋出來的房子不同位置材質(zhì)是否存在差異，真是可稱之為鋼鐵行業(yè)顛覆性技術(shù)。

金屬構(gòu)筑技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)無痕連接

在傳統(tǒng)方法冶煉大鑄錠時(shí)，除了“以大制大”的困難，冶金缺陷問題也是鑄鍛件制造領(lǐng)域的世界性難題。

李依依院士團(tuán)隊(duì)曾解剖100噸核電轉(zhuǎn)子用模鑄鋼錠，鋼錠表面未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，但解剖后鋼錠中心存在寬度20mm、長(zhǎng)度1700mm的縮孔缺陷，大范圍的宏觀偏析，以及長(zhǎng)度達(dá)500mm的樹枝晶，這種冶金缺陷將嚴(yán)重影響構(gòu)件的力學(xué)性能，內(nèi)部組織更是存在著嚴(yán)重的問題。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者半個(gè)世紀(jì)以來曾嘗試通過加快冷卻、添加內(nèi)冷元、電磁攪拌等方式改善大型鑄錠的內(nèi)在質(zhì)量，但一直收效甚微。

大型鋼錠內(nèi)部的冶金缺陷

(a)法國(guó)克魯索公司解剖的65t鋼錠，(b)中科院金屬所解剖的100t鋼錠（圖片來源：作者提供）

金屬構(gòu)筑技術(shù)則另辟蹊徑，采用比較成熟穩(wěn)定的連鑄技術(shù)生產(chǎn)的連鑄坯或高質(zhì)量的小型鋼錠作為基元，通過表面清潔加工處理后，將多塊板坯真空封裝，然后通過高溫高壓鍛造將界面充分焊合，使界面與基體融為一體，實(shí)現(xiàn)無痕界面的冶金連接，成功突破了大鋼錠冶煉存在的成分偏析、疏松、縮孔、夾雜物超標(biāo)等技術(shù)瓶頸。

金屬構(gòu)筑成形鋼坯 （圖片來源：作者提供）

說到這，你一定會(huì)問構(gòu)筑出來的鋼錠真的能夠達(dá)到鑄錠的性能嗎？界面真能夠?qū)崿F(xiàn)無痕連接嗎？

其實(shí)中科院金屬所的科學(xué)家們?cè)缇蛯?duì)多種材質(zhì)的構(gòu)筑鋼錠進(jìn)行了數(shù)千次的性能試驗(yàn)，包含原始界面各方向的拉伸性能、疲勞性能甚至是沖擊功都能夠達(dá)到與基體一致，而且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，完全可以達(dá)到甚至高于鑄錠產(chǎn)品的性能，實(shí)現(xiàn)了金屬的無痕連接。這下大家可以放心了吧。

拉伸性能測(cè)試結(jié)果（圖片來源：作者提供）

構(gòu)筑技術(shù)將走向何方

目前，金屬構(gòu)筑成形技術(shù)已經(jīng)在示范快堆支承環(huán)及大口徑壓力管、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪主軸、船用艉軸轂、核電用不銹鋼特厚板等能源電力、海洋工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了大鍛件的構(gòu)筑成形，涉及的材質(zhì)包括316H不銹鋼、S03、925A、SA508-3鋼、20SiMn、9Ni、Ti80、無氧銅等，并取得了階段性的成果，已經(jīng)得到了多位院士專家及企業(yè)的認(rèn)可，并被評(píng)價(jià)為大構(gòu)件制造領(lǐng)域的一項(xiàng)變革性技術(shù)。

構(gòu)筑技術(shù)應(yīng)用實(shí)例 （圖片來源：作者提供）

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(shì)，成為當(dāng)前大鍛件制造的一種重要新興方法。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(duì)于一些難焊、不可焊金屬，采用構(gòu)筑技術(shù)就有些為難了。

金屬構(gòu)筑技術(shù)對(duì)于鋼鐵行業(yè)來說是一項(xiàng)全新的事物，因此想要讓其在行業(yè)內(nèi)得到廣泛認(rèn)可還有很長(zhǎng)的路要走。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，在鍛造加工中，金屬構(gòu)筑技術(shù)終將替代大鑄錠這也是不爭(zhēng)的事實(shí)。未來，這項(xiàng)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(guó)工業(yè)發(fā)展實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

作者單位：中國(guó)科學(xué)院金屬研究所