【中國科學(xué)報(bào)】金屬基復(fù)合材料的國產(chǎn)化之路
瀏覽：761 發(fā)布日期：2018-10-09
日前，馬宗義在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示：“高性能金屬基復(fù)合材料是**重大戰(zhàn)略與國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)迫切需求的一種工程材料，我們?cè)谠擃I(lǐng)域取得一系列關(guān)鍵技術(shù)突破和應(yīng)用，一些技術(shù)產(chǎn)品不僅打破國際封鎖，還推動(dòng)了**高新技術(shù)重大裝備的快速發(fā)展。”
抓住機(jī)遇組建團(tuán)隊(duì)
金屬基復(fù)合材料是向金屬中添加陶瓷、碳等異質(zhì)材料形成的一種復(fù)合材料，具備抗疲勞、耐磨、高導(dǎo)熱、低熱膨脹以及輻射屏蔽等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天、電子封裝、裝備、核電、汽車、軌道交通等**重大需求和國民經(jīng)濟(jì)裝備制造所需的關(guān)鍵材料，其用量也是材料科技水平的標(biāo)志之一。
早在2000年，北美、歐洲及日本等發(fā)達(dá)**已形成了成熟的金屬基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)量達(dá)到全球用量的80%以上。我國金屬基復(fù)合材料研發(fā)起步較晚，落后發(fā)達(dá)**近30年，同期還停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。
由于應(yīng)用背景敏感，國外長期對(duì)我國進(jìn)行嚴(yán)密的技術(shù)封鎖。馬宗義指出：“多年來，我國金屬基復(fù)合材料自主研發(fā)面臨組織性能難控、制備與加工困難等無法逾越的共性難題，陷入技術(shù)進(jìn)展緩慢、需求牽引不足兩者相互制約的困境，一直未能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用突破。”
“十一五”開始，**中長期規(guī)劃開展“載人航天與探月工程”“高精度對(duì)地觀測(cè)”“大型壓水堆與高溫氣冷堆”等重大專項(xiàng)任務(wù)，這為高性能金屬基復(fù)合材料的發(fā)展帶來前所未有的機(jī)遇。
然而，這些高技術(shù)裝備的建設(shè)也為當(dāng)時(shí)的研究水平帶來極大挑戰(zhàn)，需建立工程化制備、成型加工等關(guān)鍵技術(shù)，才能適應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定化、規(guī)模與批量化應(yīng)用需求。馬宗義團(tuán)隊(duì)也是國內(nèi)*早開展金屬基復(fù)合材料研究的科研團(tuán)隊(duì)之一。
近年來，馬宗義團(tuán)隊(duì)開展了工程化制備技術(shù)研發(fā)。他告訴記者：“我們先后突破了短流程與規(guī)模化粉末冶金制備工藝、可控成形加工、攪拌摩擦焊等制約金屬基復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，從而打通了其工程應(yīng)用的全鏈條難點(diǎn)。”
攻克制備技術(shù)瓶頸
在金屬基復(fù)合材料大尺寸坯錠制備時(shí)，存在成分均勻性、界面反應(yīng)等控制難、制備成本高、周期長的難題。針對(duì)這一難題，馬宗義團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了低成本短流程粉末冶金制備技術(shù)，所制備的坯錠具有組織均勻、致密無缺陷、無有害界面產(chǎn)物的特點(diǎn)。
馬宗義介紹道：“2017年，我們實(shí)現(xiàn)了*大3.4噸/錠的超大尺寸坯錠制備，超過美國公開報(bào)道的*大0.45噸/錠，并可將原材料成本和制備周期雙減半，突破了復(fù)合材料規(guī)模化制備難題。”
據(jù)悉，團(tuán)隊(duì)制備的大尺寸坯錠，不僅解決了航天器關(guān)鍵有效載荷大型平臺(tái)結(jié)構(gòu)輕量化的急需，還突破傳統(tǒng)材料難以兼顧輕質(zhì)、高熱導(dǎo)、低熱膨脹以及承載性能的難題，支持了**高分辨對(duì)地觀測(cè)專項(xiàng)任務(wù)重點(diǎn)型號(hào)的研制。
“金屬基復(fù)合材料中因添加脆性陶瓷等增強(qiáng)相，制約了金屬的塑性流變能力，使其塑性成形能力極差，成為制約其應(yīng)用的另一個(gè)關(guān)鍵因素。”馬宗義指出，以往通過試錯(cuò)法進(jìn)行工藝摸索，存在耗時(shí)耗力、適用性差等問題。近年來，高技術(shù)裝備對(duì)零件結(jié)構(gòu)提出多樣化、大型化與快速響應(yīng)的需求，以往金屬基復(fù)合材料傳統(tǒng)的工藝試錯(cuò)研究模式難以滿足需求。
為此，馬宗義團(tuán)隊(duì)基于自主研發(fā)的**物理仿真、多尺度模擬新技術(shù)，攻克了復(fù)合材料成形加工中缺陷控制與組織性能調(diào)控難題，建立大變形比成型加工、中高陶瓷含量復(fù)合材料成型加工、異型材大擠壓比成型等技術(shù)，并通過組織缺陷調(diào)控實(shí)現(xiàn)板材高效率軋制、自由鍛件性能優(yōu)化控制等。
“我們?cè)趪鴥?nèi)率先研制出高性能金屬基復(fù)合材料大尺寸、超大尺寸自由鍛件與薄壁異型材等，批量應(yīng)用于衛(wèi)星與深空探測(cè)飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，替代了傳統(tǒng)高強(qiáng)鋁、鈦等合金，使裝備性能指標(biāo)提升與輕量化設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。”馬宗義說。
此外，由于金屬與增強(qiáng)相的巨大物化性質(zhì)差異，傳統(tǒng)的熔焊技術(shù)難以使金屬基復(fù)合材料獲得高質(zhì)量連接，焊縫中常產(chǎn)生顆粒偏析、縮孔或氣孔、有害界面反應(yīng)產(chǎn)物等。馬宗義表示，新型的攪拌摩擦焊作為一種固相焊接技術(shù)，*有希望實(shí)現(xiàn)金屬基復(fù)合材料高強(qiáng)度連接，然而面臨著攪拌摩擦焊接工具受陶瓷顆粒磨損嚴(yán)重、材料流變性差等挑戰(zhàn)，難以獲得工業(yè)應(yīng)用。
于是，團(tuán)隊(duì)自主發(fā)明了一種高耐磨、高韌性焊接工具，可在寬泛的工藝參數(shù)下施焊而不磨損或折斷，突破以往難以實(shí)現(xiàn)的可靠連接和焊接工藝優(yōu)化難題，由此實(shí)現(xiàn)了金屬基復(fù)合材料的近等強(qiáng)焊接，工具壽命可滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。“我們通過中子衍射和多尺度模擬對(duì)焊接頭殘余應(yīng)力實(shí)現(xiàn)**模擬，為焊接工藝制定建立了全新的依據(jù)。”馬宗義說。
研發(fā)產(chǎn)業(yè)基地建成
經(jīng)過長期積累，馬宗義團(tuán)隊(duì)的金屬基復(fù)合材料成果已獲得**發(fā)明專利授權(quán)20余項(xiàng)，先后制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)，誕生了多項(xiàng)國內(nèi)航天、核電等領(lǐng)域的“**”“首臺(tái)”“首套”關(guān)鍵部件，并成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。
針對(duì)航天器承載結(jié)構(gòu)的減重需求，馬宗義團(tuán)隊(duì)研發(fā)出輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、耐疲勞SiC/Al復(fù)合材料，替代高強(qiáng)鋁合金或鈦合金，減重達(dá)20%～40%，為遙感飛行器、深空探測(cè)器等關(guān)鍵型號(hào)供貨千余件。針對(duì)電子封裝和遙感光學(xué)儀器對(duì)輕量化、低膨脹熱管理材料的需求，馬宗義團(tuán)隊(duì)突破高陶瓷含量鋁基復(fù)合材料的批量化制備加工、大尺寸厚截面零件制備技術(shù)，替代了鉬銅、鈦、因瓦合金，應(yīng)用于多個(gè)系列的關(guān)鍵型號(hào)衛(wèi)星。
由于我國中子吸收材料研發(fā)滯后，長期依賴進(jìn)口，制約核電自主化與走出去發(fā)展戰(zhàn)略。馬宗義團(tuán)隊(duì)突破了B4C/Al復(fù)合材料坯錠規(guī)模化制備與板材軋制技術(shù)，制備出高成材率和高均勻性分布的B4C/Al板材，同時(shí)突破了高質(zhì)量焊接技術(shù)，相關(guān)產(chǎn)品成功應(yīng)用于“龍舟CSNC”乏燃料容器樣機(jī)和全球首臺(tái)高溫氣冷堆核電站的所有核燃料貯存和運(yùn)輸容器。
馬宗義告訴記者：“我們實(shí)現(xiàn)了乏燃料運(yùn)輸材料國產(chǎn)化，并在國內(nèi)核電領(lǐng)域**實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)中子吸收復(fù)合材料供貨，替代進(jìn)口產(chǎn)品應(yīng)用于我國多個(gè)自主研發(fā)設(shè)備的核設(shè)備。”
“目前，金屬所已經(jīng)建成了金屬基復(fù)合材料研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化基地，年產(chǎn)量近百噸，成為航天、核電等領(lǐng)域多家單位的主要供貨單位。”馬宗義還向記者透露，未來，金屬所還將為金屬基復(fù)合材料的革新?lián)Q代積累基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)下一次工程化規(guī)模應(yīng)用的突破。
