一個多月前，高分十一號衛星發射成功，中國科學院金屬研究所研發的金屬基複合材料發揮了重要作用。眾所周知，太空飛行器對材料的要求十分苛刻，比如輕量化就是其中一項指標，金屬基複合材料恰好符合需求。金屬所研究員馬宗義帶領團隊，致力於高性能金屬基複合材料的研究，近5年來，為遙感、風雲、高分、嫦娥、北鬥、東風、天宮、龍舟等十幾個關鍵型號，提供複合材料產品百餘批次、萬餘件。
日前，馬宗義在接受《中國科學報》記者採訪時表示：「高性能金屬基複合材料是國家重大戰略與國民經濟建設迫切需求的一種工程材料，我們在該領域取得一系列關鍵技術突破和應用，一些技術產品不僅打破國際封鎖，還推動了國家高新技術重大裝備的快速發展。」
抓住機遇組建團隊
金屬基複合材料是向金屬中添加陶瓷、碳等異質材料形成的一種複合材料，具備抗疲勞、耐磨、高導熱、低熱膨脹以及輻射屏蔽等優點，是航空航天、電子封裝、裝備、核電、汽車、軌道交通等國家重大需求和國民經濟裝備製造所需的關鍵材料，其用量也是材料科技水平的標誌之一。
早在2000年，北美、歐洲及日本等發達國家已形成了成熟的金屬基複合材料產業，產量達到全球用量的80%以上。我國金屬基複合材料研發起步較晚，落後發達國家近30年，同期還停留在實驗室研發階段。
由於應用背景敏感，國外長期對我國進行嚴密的技術封鎖。馬宗義指出：「多年來，我國金屬基複合材料自主研發麵臨組織性能難控、製備與加工困難等無法逾越的共性難題，陷入技術進展緩慢、需求牽引不足兩者相互制約的困境，一直未能實現應用突破。」
「十一五」開始，國家中長期規劃開展「載人航天與探月工程」「高精度對地觀測」「大型壓水堆與高溫氣冷堆」等重大專項任務，這為高性能金屬基複合材料的發展帶來前所未有的機遇。
然而，這些高技術裝備的建設也為當時的研究水平帶來極大挑戰，需建立工程化製備、成型加工等關鍵技術，才能適應產品質量穩定化、規模與批量化應用需求。馬宗義團隊也是國內最早開展金屬基複合材料研究的科研團隊之一。
近年來，馬宗義團隊開展了工程化製備技術研發。他告訴記者：「我們先後突破了短流程與規模化粉末冶金製備工藝、可控成形加工、攪拌摩擦焊等制約金屬基複合材料應用的關鍵技術瓶頸，從而打通了其工程應用的全鏈條難點。」
攻克製備技術瓶頸
在金屬基複合材料大尺寸坯錠製備時，存在成分均勻性、界面反應等控制難、製備成本高、周期長的難題。針對這一難題，馬宗義團隊開創了低成本短流程粉末冶金製備技術，所製備的坯錠具有組織均勻、緻密無缺陷、無有害界面產物的特點。
馬宗義介紹道：「2017年，我們實現了最大3.4噸/錠的超大尺寸坯錠製備，超過美國公開報導的最大0.45噸/錠，並可將原材料成本和製備周期雙減半，突破了複合材料規模化製備難題。」
據悉，團隊製備的大尺寸坯錠，不僅解決了太空飛行器關鍵有效載荷大型平臺結構輕量化的急需，還突破傳統材料難以兼顧輕質、高熱導、低熱膨脹以及承載性能的難題，支持了國家高分辨對地觀測專項任務重點型號的研製。
「金屬基複合材料中因添加脆性陶瓷等增強相，制約了金屬的塑性流變能力，使其塑性成形能力極差，成為制約其應用的另一個關鍵因素。」馬宗義指出，以往通過試錯法進行工藝摸索，存在耗時耗力、適用性差等問題。近年來，高技術裝備對零件結構提出多樣化、大型化與快速響應的需求，以往金屬基複合材料傳統的工藝試錯研究模式難以滿足需求。
為此，馬宗義團隊基於自主研發的精確物理仿真、多尺度模擬新技術，攻克了複合材料成形加工中缺陷控制與組織性能調控難題，建立大變形比成型加工、中高陶瓷含量複合材料成型加工、異型材大擠壓比成型等技術，並通過組織缺陷調控實現板材高效率軋制、自由鍛件性能優化控制等。
「我們在國內率先研製出高性能金屬基複合材料大尺寸、超大尺寸自由鍛件與薄壁異型材等，批量應用於衛星與深空探測飛行器關鍵結構部件，替代了傳統高強鋁、鈦等合金，使裝備性能指標提升與輕量化設計得以實現。」馬宗義說。
此外，由於金屬與增強相的巨大物化性質差異，傳統的熔焊技術難以使金屬基複合材料獲得高質量連接，焊縫中常產生顆粒偏析、縮孔或氣孔、有害界面反應產物等。馬宗義表示，新型的攪拌摩擦焊作為一種固相焊接技術，最有希望實現金屬基複合材料高強度連接，然而面臨著攪拌摩擦焊接工具受陶瓷顆粒磨損嚴重、材料流變性差等挑戰，難以獲得工業應用。
於是，團隊自主發明了一種高耐磨、高韌性焊接工具，可在寬泛的工藝參數下施焊而不磨損或折斷，突破以往難以實現的可靠連接和焊接工藝優化難題，由此實現了金屬基複合材料的近等強焊接，工具壽命可滿足工業生產需求。「我們通過中子衍射和多尺度模擬對焊接頭殘餘應力實現精確模擬，為焊接工藝制定建立了全新的依據。」馬宗義說。
研發產業基地建成
經過長期積累，馬宗義團隊的金屬基複合材料成果已獲得國家發明專利授權20餘項，先後制定企業標準4項，誕生了多項國內航天、核電等領域的「首次」「首臺」「首套」關鍵部件，並成功實現工業應用。
針對太空飛行器承載結構的減重需求，馬宗義團隊研發出輕質、高強、高模、耐疲勞SiC/Al複合材料，替代高強鋁合金或鈦合金，減重達20%～40%，為遙感飛行器、深空探測器等關鍵型號供貨千餘件。針對電子封裝和遙感光學儀器對輕量化、低膨脹熱管理材料的需求，馬宗義團隊突破高陶瓷含量鋁基複合材料的批量化製備加工、大尺寸厚截面零件製備技術，替代了鉬銅、鈦、因瓦合金，應用於多個系列的關鍵型號衛星。
由於我國中子吸收材料研發滯後，長期依賴進口，制約核電自主化與走出去發展戰略。馬宗義團隊突破了B4C/Al複合材料坯錠規模化製備與板材軋制技術，製備出高成材率和高均勻性分布的B4C/Al板材，同時突破了高質量焊接技術，相關產品成功應用於「龍舟CSNC」乏燃料容器樣機和全球首臺高溫氣冷堆核電站的所有核燃料貯存和運輸容器。
馬宗義告訴記者：「我們實現了乏燃料運輸材料國產化，並在國內核電領域首次實現國產中子吸收複合材料供貨，替代進口產品應用於我國多個自主研發設備的核設備。」
「目前，金屬所已經建成了金屬基複合材料研發與產業化基地，年產量近百噸，成為航天、核電等領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複合材料的革新換代積累基礎，實現下一次工程化規模應用的突破。
（原載於《中國科學報》 2018-09-03 第6版 院所)