70%关键材料他们包了

先进核电关键金属结构材料创新团队。金属所供图

■本报记者 张楠

中国科学院金属研究所（以下简称金属所）的一个团队，曾在一年里每周派研究人员至少往返江苏两次，累计超过100人次，只为盯住一卷厚度只有头发丝粗细一半的金属薄带。

日前，这个团队——金属所先进核电关键金属结构材料创新团队获评中国科学院第七届“科苑名匠”（团队）。从REBCO（稀土钡铜氧）二代高温超导合金基带到智能导钻无磁钢，从我国首座钠冷示范快堆到第四代铅铋反应堆，他们数十年扎根科研一线，攻克了一个又一个“卡脖子”技术难题。

“四超”基带

2023年底，一项紧急任务摆在团队面前：REBCO二代高温超导合金基带需要在20个月内实现国产化。

这种基带是制备REBCO高温超导带材的金属底板，起到关键的支撑作用，要超薄、超长、超光滑、超高强度——厚度仅0.046毫米，相当于头发丝直径的一半，长度却要达到数百米甚至上千米，表面比镜面还光滑，同时具备超高强度。此前，这种材料完全依赖进口。

“基带很薄，那么薄的东西如果表面落上稍大一点的颗粒，加工过程就会出问题，表面质量就不能保证。”团队成员、金属所特种合金部主任马颖澈回忆。从1毫米轧到0.046毫米，材料越薄越容易硬化。每道工序需要同时调控20多个参数，例如温度高了组织不均匀，温度低了又会硬化，轧制力分配不好，板性又不能满足要求。

更大的挑战来自表面质量。原本在百公斤级铸锭上使用的工艺，在放大到吨级工程化生产中，带材表面随机出现了微小瑕疵。这些瑕疵肉眼几乎看不见，却会直接影响超导层的生长。

团队从源头开始排查。查合金熔炼是不是有夹杂物，查锻造是不是有氧化皮问题，从热轧、冷轧一道道往后找。“投入的人力物力很大。”马颖澈说。他们前后花了将近4个月，占整个研发周期的1/5，最终发现问题出在锻造环节的人工打磨不均匀上。团队通过改进机械加工方法解决了问题。

20个月里，团队协作的触角延伸到江苏10多家企业。由于这种薄带国内从未有企业生产过，40多道工序分布在12家企业，团队成员需要一家一家找合作方，再一家一家衔接工艺，这就出现了文章开头那一幕。

2025年，团队成功研制出满足“四超”设计要求的C276合金基带，整体性能达到国际先进水平。“材料强度越高、均匀性越好，产生的磁场强度就越高，约束等离子体就越容易。”马颖澈说，“这对核聚变实验装置的实现有重要支撑作用。”

10米无磁钢棒

另一个“卡脖子”难题来自地下。

智能导钻装备要打到地下8000到10000米寻找油气资源。装备中的无磁钢起传动承载和保障传感精度的作用，既要有高强度、高韧性，承受极端载荷，又必须“无磁”，以保证信号传输。国外虽然有同类产品，但国内尚不具备自主研发能力。

“强韧性倒置”是核心难题——材料强度提高，韧性往往下降。团队成员、特种合金部副主任陈胜虎介绍，团队引入了一种梯度位错结构的设计思路：经径锻变形调控位错梯度，获得外层高强、内层高韧的复合组织结构。

实验室里做小样品是一回事，做成10米长的工程棒材是另一回事。放大过程中，组织均匀性、性能一致性都会出现新问题。团队专门设计了一套高温环境下的加工工艺，避免损伤设备能力。

“我们遇到问题，就经常去跟所里其他专家探讨，碰撞火花。”陈胜虎说。金属所学科范围宽广，从材料设计、材料制备到性能评价，任何技术难题都能找到人讨论。这种学科交叉的机制，让团队在攻坚时不再是孤军奋战。

最终，团队突破了直径140至190毫米棒材的国产化制备技术，制备的棒材性能与奥地利进口棒材相当，已用于下井绝缘短节和伽马钻铤的制造。

70%关键材料

在福建宁德的CFR600钠冷示范快堆中，超过70%的关键金属结构材料出自这个团队。

快堆可将铀资源利用率从水堆的1%提高到近70%。示范堆是在实验堆基础上放大而来的，但放大带来的问题是全方位的。

CN-1515不锈钢用来做包壳管，包裹核燃料，必须保证性能稳定，否则一旦包壳管破裂，就可能发生核燃料泄漏。

团队通过对1515Ti不锈钢成分的正向优化，发现碳和钛的比例是核心问题之一。但实验室几十公斤的铸锭做出来是性能稳定的，放大到几吨级，冶炼控制就变得极其困难。尤其碳含量要精确控制在±0.015wt%的误差范围内，精炼温度必须精准，氧含量和氮比例也要严格调控。

316KD不锈钢的难题也很大。这种材料用在核电压力容器及堆内构件上，容器不换它就得一直用，设计寿命40年。国外使用4种奥氏体不锈钢，分别是304L、304H、316L、316H。

而以中国科学院院士李依依和团队负责人、特种合金部原主任戎利建为代表的中国科学家团队，从设计之初就希望能用一种材料替代这4种不锈钢。其中最大的难题是δ铁素体控制，钢锭越大，碳偏析越严重，铁素体就越容易出现，而铁素体会影响材料韧性和在高温下的长期服役性能。

“一开始从国外采购，买到的钢板不合格，倒逼着我们自己把这种钢板生产出来。”戎利建介绍。

团队改变工艺路线，不再采用连铸连轧的连续生产方式，而是先做高纯净的锭子，再锻打和轧制，一张一张地出钢板，最终把铁素体含量从常规的3%~5%降到1%以下，而在实际产品中甚至检测不到铁素体。后续回访显示，太钢、鞍钢、宝钢、酒泉钢厂都已经实现了零铁素体钢板的批量生产。

为验证40年寿命，团队用了加速实验的方法，“用温度换时间”，通过提高温度加速材料老化过程，评价材料的长时性能。

团队还研制出抗辐照、耐高温、耐液态铅铋腐蚀的MAlfr系列钢和SIMP钢，应用于我国首座四代铅铋快堆及加速器驱动嬗变研究装置CiADS的建设。

核电需要更耐高温、耐辐照、耐腐蚀和更长寿命（60年或80年）的材料。在10米长无磁钢棒的加工现场，在四代铅铋快堆的材料论证会上，在更高强度超导基带材料的熔炼炉旁，他们一直在路上。