这个巨环背后，是中国人的原始创新

► 文 观察者网专栏作者 高航

2019年3月12日，由中核集团委托和支持，中科院金属研究所（以下简称“中科院金属所”）李依依院士领导的产学研团队研发，以太钢高纯连铸板坯为基础制造的奥氏体不锈钢巨型环锻件在山东伊莱特重工（以下简称“伊莱特”）完成轧制，成功下线。

该锻件是全世界最大的整体锻造不锈钢环，采用了由中科院金属所完全自主研发、具有全球知识产权且为国际首创的金属构筑成型技术，打破了多项国际工业记录。

该不锈钢环单件重达150t，热态直径达15.8m，常温状态直径达15.6m，并以50余块板坯分组多次构筑，实现了200t级金属锻件毛坯的分级构筑和增材制造。这是在国际上尚未见报道的超大型锻件制造领域的原始创新。

超大型锻件的制造能力对于一个国家具有极其重大的战略意义，越是重大工程需要的超大型锻件，对其质量的要求越苛刻。然而随着锻件尺寸越做越大，其内部组织的缺陷会变得越来越严重，从而使得均质化程度变得越来越低，这在工程上是无法容忍的。

究其原因，是因为超大型锻件制造的传统手段是“以大制大”，也就是锻造用的毛坯一定要大于成品，但由于超大型不锈钢钢锭的浇筑质量很难稳定，内部极易出现缩孔、成分偏析和夹杂物超标等冶金缺陷，严重影响锻件成品的质量。这是公认的世界难题。

面对如此难题，中科院金属所李依依团队受建筑业启发，首创了金属构筑成型技术。所谓金属构筑成型技术，就是“以小制大”，采用多块尺寸较小的均质化板坯作为基础，用“搭积木”的方式制造出所需尺寸的超大型毛坯，本质上是增材制造技术的一种。其流程如下图所示。

金属构筑成型流程图

第一步，均质化的连铸板坯要经过表面活化，一般是用龙门铣床铣削掉表面的氧化层，然后像“搭积木”一样叠放成所需形状。

第二步，将叠放好的板坯送入真空室，在高真空状态下进行封装焊接。此时由于焊缝长而深，最适宜采用真空电子束焊的工艺，当然也有采用普通钎焊工艺的。

第三步，将焊接完毕的毛坯在真空室中高温加热至高压锻焊所需的温度，并促使焊缝处残留的氧化物在高温和高真空状态下分解。

第四步，将毛坯送入大型压机进行高压锻焊，采用的手段一般为多向锻造，并且控制锻压的变形速度和变形量，实现构筑界面处的“无痕链接”，使得毛坯彻底的均质化。

第五步，将均质化的毛坯锻造成所需的超大型锻件。

可以看出，金属构筑成型技术最核心的部分就是如何实现构筑界面的“无痕连接”。中科院金属所的科研团队进过十余年的艰苦攻关，成功揭示并梳理了金属构筑界面的愈合机制和组织演化机理，陆续突破了表面活化、真空封装、多向锻造、分级构筑和整体碾环等关键核心技术，彻底消除了多层金属之间的构筑界面，实现了整个锻件化学成分、晶体组织和力学性能的“浑然一体”。

进入产业化阶段之后，中科院金属所团队又和伊莱特通力合作，从2016年开始，先后进行了1/8比例、1/3比例和等截面模拟件等多次验证，不断调整技术措施和工艺参数，在2019年2月完成了200t级超大型不锈钢坯的制造，并利用伊莱特自有的超大型碾环机，最终于2019年3月12日完成了全世界最大的整体锻造不锈钢环的制造。该不锈钢环的成功下线，也使得16m级直径的超大型环构件的生产方式由分体式制造转为整体制造，实现了跨越式发展。

当然金属构筑成型技术也有其固有缺陷，那就是真空封装需要大尺寸的真空室和相应的专用焊接设备，技术门槛很高不说，光建造真空室和采购相关设备就是一笔极大的投资。因此，这项技术目前只适用于战略领域的超大型锻件的生产制造，还无法应用到一般的装备制造领域。

不过尽管现阶段无法做更多的推广，作为中国人原创的超大型锻件制造技术，金属构筑成型技术对于我国超大型分段式筒型装备（如重型运载火箭等）、超大型传动装置的核心关键零部件（如大直径盾构机的轴承等）和超大型压力容器筒节（如反应釜筒节等）的生产制造水平是一个巨大的提升，对于推动我国高端装备快速发展，保障重大装备核心关键材料自主可控，解决超大型工程机械、核反应堆、舰船、重型燃气轮机、航天等领域战略装备核心零部件制造的“卡脖子”问题具有极其重大的意义。

值得一提的是，李依依是中国科学院院士，而她的丈夫柯伟则是中国工程院院士，金属腐蚀与防护专家。夫妻都是院士，也同在中科院金属所工作，这样的“学霸家庭”令人艳羡，也绝对算得上是中国科技史上的一段佳话。

超大尺寸零部件的制造经常被称为“极限制造”，这是工业体系的脊梁骨，也是一个国家的“定海神针”。“打铁还需自身硬”，只有像金属构筑成型技术这样在基础制造技术和工艺领域的原始创新越来越多，中国工业的脊梁骨才能越来越硬，支撑大国崛起的国之重器才能层出不穷，高质量发展的中国经济才能行稳致远。

本文来源：科工力量

责编|于杨

审核|邱荔

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