这个世界最大的金属呼啦圈，凭什么被称为“国之重器”？ | 孙明月——科学讲坛
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“我们不光是做了一个世界上最大的金属呼啦圈，更重要的是，这项技术打破了沿袭数千年的用大钢锭做大锻件的思想。”
孙明月
中国科学院金属研究所
材料加工模拟研究部副主任
大家好，我是来自中国科学院金属研究所的孙明月。金属研究所，顾名思义就是研究金属材料的，我主要做锻造成形，经常会被人们认为是打铁的。
锻造是一个传统的夕阳行业，理论和技术都已经很成熟。今天，由我这个铁匠来讲述，我们是如何在传统领域老树开新花，实现原始创新。
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什么是国之重器
当夜色降临时，繁华的城市依然是一片灯火辉煌，这是人类在地球上创造的奇迹。
我们在生活中离不开一种重要的能源形式——电能。据统计，建国以来，我国的用电量增长了1650倍，而且未来仍有很大的缺口。
从某种程度上来讲，用电量是反映一个国家或者地区经济活跃程度的重要风向标。电能的重要性迫使我们加快电站的建设，电站主要有火电、核电、风电、水电等几种形式。
电站
电站里面有很多金属的大家伙，它们都是电站中的国之重器。
主蒸汽管道（左）和压力容器（右）
左图是直径达到500毫米，长度将近20米的主蒸汽管道，它是电站的主动脉。右图是直径5米，长度20多米，重达五六百吨的核电的压力容器，它是核反应堆的安全屏障。
左图是直径达到11米，重达450吨的水轮机转轮，它是整个水电的脊梁。右图是直径达到2.5米，重达350吨的转子，它是火电站的心脏。
这些金属的大家伙常常被誉为是国之重器，它们有着共性的特点，一是重量大，二是特别重要。它们往往是在高温、高压、辐照、重载、腐蚀等等极端环境下服役的，对材料的性能有极高的要求。
央视的《大国重器》纪录片，讲述了我国装备制造领域的发展历程，展示了很多电站里的金属大构件。这些大家伙是怎么做出来的呢？它们都是锻造出来的。
锻造是一个早在4000多年前就存在的古老技艺。正如俗话所讲，世间有三苦，撑船、打铁、卖豆腐。以往的锻造是个重体力活，主要依靠人工。
但是现在不是靠人工打铁，而是靠机器来打铁。前面我们讲的国之重器，都是在万吨级压机上进行变形锻造得到的。在万吨压机上，锻造百吨级的钢锭就像揉面团一样轻松。
为什么要对金属进行锻造？锻造有什么好处？锻造是在高温下对金属进行反复变形，获得更致密、更细小的组织，同时提升材料的强度和韧性，即“千锤百炼始成钢”。
低压转子
上图是世界上最大的锻件，是重量达到350吨的汽轮机的低压转子。
钢锭的制作流程
大锻件和蛋糕的制作过程是很相似的。正如做好蛋糕需要好的面团，做好大锻件也需要优质的大钢锭。钢锭是怎么做的呢？将铁水浇铸到一个钢锭模里，冷却凝固之后就得到了钢锭。
世界上重量最大的大钢锭是750吨，它的外表黑不溜秋的，看起来似乎不需要高科技含量。这就像我们做大蛋糕一样，缺水了需要加面，缺面了就需要加水，蛋糕才会越做越大。但是，钢锭不是想做多大就能做多大的。
钢水的凝固过程是一个结晶的过程，像水低温结冰一样，钢水凝固时，会从液体当中析出雪花一样的树枝晶。在晶体的析出过程中存在一个重要的现象，叫做溶质再分配。在结晶的瞬间，晶体上的溶质含量和母液中的溶质含量是存在差别的。
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偏析的危害
溶质再分配现象会造成先、后凝固的金属，在成分上存在差别，这种差别我们称之为偏析。一般情况下，凝固的时间越长，凝固的历程越长，偏析就越严重。
钢锭中偏析的形成过程
上图中不同颜色代表钢锭里不同元素的含量，图中所示的偏析是很严重的。
宏观上，偏析表现在钢锭里是一条条黑道，就像一个人运动完之后，脸没洗干净一样。黑道实际上是里面的元素严重地偏离了正常的水平，而且还富含夹杂物，这是一种冶金缺陷。
正常组织（左）和含有癌细胞的组织（右）
偏析有什么危害呢？它就像人体里的癌细胞一样会破坏正常的机体组织，恶化材料的性能，而且还会缩短材料的使用寿命。
例如，2015年4月，我国南方的一个核电站，在安装从法国进口的蒸汽发生器的顶盖大锻件时，发现在管嘴部位存在严重的碳超标现象，就是碳偏析。这个位置的力学性能显著低于预期值。
这个大锻件在核电站上还能不能用，国内外专家存在着很大的争议。直到2019年9月这个核电站才获批装料使用，耽误了整整四年的时间，每天的经济损失高达1000万元。
为了解决偏析问题，国际上的众多冶金学者开展了大量的研究工作。他们试图通过改变钢水的凝固过程来改善偏析，但是由于钢锭尺寸实在太大，凝固速度极其缓慢，每个小时只能冷却一度。
在极其缓慢的冷却条件下，按照美国麻省理工学院弗莱明斯教授的凝固理论，他认为材料是有尺寸效应的，规格越大的材料，它的偏析越严重。规格越小的，偏析就越轻。
如果根据弗莱明斯教授的理论，偏析问题是一个无解的问题。但是在工程上，我们特别需要材料里面没有偏析，希望它是均匀的。
我们的研究团队跟着国际上的大牛做一些修修补补的研究工作，但是后来我们发现要想真正解决这个问题，还得另辟蹊径。
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以小制大构筑成形
如果我们跳出用大钢锭制造大锻件的做法，跳出以大制大思路的局限，到建筑领域去看一看，就能够获得一些灵感。
所有宏伟的建筑物，都不是用一块大石头雕刻而成的，而是一砖一瓦地构建而成的。我们国之重器的大锻件是否也可以用这种方法来成形呢？
受这一思路的启发，我们在国际上率先提出一种全新的材料加工技术，叫做金属构筑成形技术。
传统技术（左）和创新技术（右）
这项技术采用了尺寸相对较小、冷速较快的金属坯。作为构筑的基元，这种小尺寸的金属坯就像盖房子的砖，一层一层地把它叠起来，叠成一个宝塔。
然后将这个宝塔的层与层之间，通过真空的方式把它封装起来，使层与层之间处于高真空的状态。将这个宝塔加热到高温进行反复的大变形，就像揉面一样，使层与层之间的界面完全结合在一起，这样便得到一个大尺寸的材料。
这种材料和传统的钢锭相比，表面看起来是一样的，但是内部的均匀性要好很多倍。
这项工作是国际上前所未有的，通过以小制大构筑成形的方法，有望解决大锻件里存在偏析的世界性难题。
大家可能会疑惑层与层之间能否完美结合？一开始提出这个思想，有很多人反对。
曾经有位资深专家说，用这个方法界面根本没有熔化，它不可能很可靠地连接在一起。即使连上了也是虚连，用的时候就像千层饼一样，一撕就撕开了。
当时我们虽然受了打击，但是我们也下定决心，一定要证明我们的想法是对的。我们做了大量的基础性研究，提出了两项界面愈合的机制。
界面再结晶机制
第一项机制是界面的再结晶机制。在高温大变形作用下，界面处会发生剧烈的动态再结晶，生成很多新的晶粒，跨越界面生长将两部分金属牢固地结合在一起。
界面氧化膜分解机制
第二个机制是界面的氧化膜分解机制。氧化膜会阻碍界面的连接，但是我们发现在高温大变形作用下氧化膜会发生破碎，然后又会发生解离。既有物理过程，又有化学过程。生成的离子态物质会向远处去扩散，经过长时间保温之后，界面处的成分组织性能，可以达到与基体完全一致的这种程度。
金属界面结合与人体伤口愈合类似
这个过程与我们人体伤口的愈合过程是高度相似的，如果我们有了一个伤口该怎么处理呢？我们首先要清创后缝合，然后静养休息，等它愈合之后我们还要做恢复性的训练。
相应地，在金属构筑成形过程中，界面的结合也是类似的。在高温大变形的作用下，界面处会积累大量的形变储能，激发剧烈的原子的扩散和动态再结晶，从而将两部分本来分离的金属牢固地结合在一起，成为血脉相通的浑然一体。
当然，光有思想和理论是不够的。一个新思想、新技术要想服人的话，必须一竿子捅到底，把东西做出来。所以我们花了将近十年的时间，把这项技术推向工程应用。目前这项技术已经在核电、水电、风电等领域初步获得了应用，取得了较好的效果。
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从思想提出到工程应用
四代核电工程是我们国家核能的重大专项，对于实现核燃料的闭式循环，促进核能的可持续发展，具有重大的意义。
四代核电里的堆容器像一个大热水瓶，里面装了很多堆内的构件和核燃料。
四代核电里的堆容器
堆容器中有一个最关键的部件，图片C展示的一个巨型的不锈钢的支承环，直径达到15.6米。
支承环要支承着堆容器7000多吨的重量，而且它本身也是压力边界的一部分，还要承受着中子辐照、疲劳载荷，以及液态金属钠的腐蚀。
所以，它是一个在极端环境下服役的构件，被誉为是整个堆容器的脊梁。以往国外是把它做成6瓣或者8瓣分别制造，然后再组焊在一起。但是，焊缝位置就存在着安全隐患。
我们提出了一个大胆的一体化的成形思想，即整个构件没有一条焊缝。这样做有两点好处，一是提升安全性、可靠性。二是减少了复杂的焊接操作，降低制造成本。
在工程上，一体化的制造具有重大意义。这是一个国外不敢想，我们敢想；国外没有做过，我们先做了的一个事情。谈论起来雄心万丈，做起来却困难万千。
上图中的大环重量是150吨，它的价值等同于150公斤的黄金。我算了下我的收入，我五辈子赚的钱也买不起这一个环。所以，一旦做废了、做坏了，我的责任就太大了。
我们稳扎稳打，从两米的小环开始制作，一直到5米、15米。我们做了很多的模拟试验件，最终经过1000多个日日夜夜的攻关努力，终于固化了工艺，形成了成熟可靠的工艺方案。
在2019年3月12日的时候，我们团队在著名的铁匠之乡——山东章丘，完成了这个直径15.6米的巨型不锈钢支承环的研制。
我们采用58块优质的连铸坯作为构筑的基元，像盖房子的砖一样，先把它表面加工、打磨干净，露出新鲜金属，然后像小孩叠积木一样一层层地叠起来，叠到四层楼那么高。
然后把这个宝塔推到真空室里面进行电子束封焊，使层与层之间处于一个高真空的状态。再将其加热到1250摄氏度的高温，进行大的变形，使层与层之间的界面结合在一起。
然后进行多向锻造，使内部的组织更加均匀。最终就是成形的工序，进行冲孔、扩孔还有最后的轧环。
我们在一个超大型的轧环机上进行轧环成形。轧环的过程和做兰州拉面差不多，一点点地抻，越抻越长，最后变成16米的大环。
这个大环加工完是非常壮观的，按照我们现在的疫情防控规定，每隔1.5米站一个人，里面站了150人还绰绰有余。
这个事情的重大意义在于，我们不光是做了一个世界上最大的金属呼啦圈，更重要的是这项技术打破了沿袭数千年的用大钢锭做大锻件的思想。
我们通过奇思妙想，以小制大，解决了大锻件存在偏析的世界性难题。在项目的实施过程当中，团队成员都付出了巨大的努力。
我们的李依依院士八十几岁了，还工作在科研生产一线。她告诉我们，做大工程就要有四气精神，要有勇气、有骨气、有底气、要有人气。
在她的表率作用下，很多单位都自发地聚集在我们团队周围。大家不计得失，全力以赴，以举国之力来做成大事。
俗话讲要趁热打铁，锻造的现场条件非常艰苦。150吨大锻件的锻造现场非常热，它一翻过来，我们感觉就像站在太阳面前。
锻造现场
我们的团队成员冒着1000多度的高温冲在前面，衣服烤糊了、手机烤坏了、鞋底烫掉了，这都是常有的事情。但是，我们大家都非常开心，因为我们是在国之重器的制造领域，从事一项前所未有的伟大事业。
金属研究所的老所长，两院院士师昌绪先生曾经说过，我的一生经历很复杂，但是我始终有一个目标，这个目标就是中国的强大。
这是每个中国人的梦，这个梦的实现不是靠投机取巧，而必须是实干。师先生是我们学界的楷模，我们作为新一代的铁匠，更加需要坚定这种爱国思想。
我相信，对一个科学家来讲，只有爱国，他做科研工作才会更加有底气，更加有动力。
视频展示了大环的运输过程。这个国之重器的运输过程是非常拉风的，从山东章丘一直运到辽宁大连，采用陆海联运的方式。运输的规格也很高，前后都有警车护送，我们越过了十几座立交桥，钻过了几个桥洞子，又跨过了几个收费站，越过了茫茫大洋。最终一路高歌，到达了我们的目的地，助力我们国家核能重大装备的建设实施。
我要特别感谢陈嘉庚科学奖基金会对我们研究工作的资助，感谢来自中国科学院金属研究所、中国原子能科学研究院、山东伊莱特重工股份有限公司以及山西太钢不锈钢股份有限公司的各位团队成员的支持。
这辈子能与你们共同奋斗，是我的这一生当中最荣耀的事情。
我的分享到此结束，谢谢大家！
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