李殿中院士：《“以小制大”的金属构筑新方法》
2026-04-07 13:31:07
作者：李殿中（中国科学院院士，中国科学院金属研究所研究员）
在产品开发过程中，许多技术难题，其根源并非单纯的技术层面问题，而是背后的基础科学问题未得到有效解决。例如，针对特种钢研发，影响钢材性能的关键因素主要有夹杂物和碳化物等，若仅在冶炼阶段控制夹杂物生成，或在热处理阶段调整碳化物形态，不从源头解决的话，很容易造成材料性能波动。要真正解决这类问题，需要从基础研究层面、从技术链角度，深入探究夹杂物与碳化物的形成机理、演化规律，这是基础研究的重要性。但要注意，在逻辑上，基础研究不能讲“本本主义”，不能从书本到书本。要以国家重大战略需求为导向，扎实推动产业创新与科技创新深度融合。在重大需求中找技术科学问题，这些问题都是“硬核”问题，然后开展基础研究。这种情况下，研究的着眼点和导向性是非常清楚的，心里也会特别踏实。
“以小制大”金属构筑新方法的诞生，主要源于长期深入生产实践。在10吨至数百吨特大型钢锭生产过程中，我发现传统模式存在三个问题：材料利用率低、安全风险高、内部质量难以控制。以100吨钢锭为例，其内部流场、温度场都在变化，冷却速度极为缓慢，近乎处于平衡冷却状态，带来晶粒粗大并导致成分不均匀，也就是偏析问题，这是世界性难题。增材制造技术“以小积大”的核心思路给了我重要启发。同时，长城修建与传统砌墙工艺也带来了灵感——万里长城虽规模宏大，却由无数块标准砖块通过合理拼接与缝隙填充构筑而成，且具备极高的稳定性与整体性。由此提出，以多块小尺寸均质化板坯作为基元，通过真空焊接、高温形变等手段，使界面与基体完全一致，进而获得大锻件所需均质化母材，实现“以小制大”新型制造。通过对20吨级钢锭试验样品进行解剖分析发现，由于再结晶、原子扩散等作用，连铸坯层间的缝隙已完全闭合，构件断面可实现无缝连接，关键是整体成分非常均匀。
与传统“以大制大”模式相比，“以小制大”方法在材料利用率与成本控制方面也具备显著优势。传统模式下，为制造大型构件需先浇筑更大尺寸的钢锭，再通过切头去尾去除因偏析、缩孔等缺陷导致的不合格部分，材料利用率有时仅为60%。而“以小制大”方法采用质量可控的连铸坯作为基础单元，材料无需大量切除，材料利用率大幅提升。目前，该技术已成功应用于部分国家重大工程。比如，在与中国原子能研究院、太原钢铁集团公司、山东伊莱特重工等单位的合作中，将48块不锈钢连铸坯堆叠、分级锻造，成功生产出150吨钢锭，成分均匀、性能稳定，成功制造出霞浦核电站反应堆用直径15.6米全球最大支撑环。此外，金属构筑技术应用范围正逐步拓展至钛合金、铝合金以及高温合金等领域，理论上适用于所有大型金属坯料，为高端装备大型构件制造提供了全新解决方案。
作者介绍：
李殿中：中国科学院院士、亚太材料科学院院士，中国科学院金属研究所研究员、博士生导师，沈阳材料科学国家（联合）实验室材料加工模拟研究部主任，中国科学院轴承先导专项首席科学家，入选“国家百千万人才工程计划”，入选辽宁省“第五批省级优秀专家”，入选辽宁省“兴辽英才计划”杰出人才。李殿中院士主要从事大型铸锻件关键材料成分优化和合金相控制研究，材料成形模拟和缺陷控制研究，金属凝固过程形核生长动力学模拟，钢在热变形条件下组织演变的计算机模拟，以及金属液流动过程的实时观察和计算机模拟等。先后承担了国家机床重大专项、核电重大专项、国家科技支撑计划、国家自然科学基金、中国科学院振兴东北老工业基地重大项目等多项课题；获授权发明专利100余项，其中国际发明专利7项；出版论著2部、译著1部；在Phys Rev Lett、Acta Mater等结构材料顶级期刊上发表论文70余篇。作为第一完成人，荣获国家科技进步奖二等奖1项，中国专利金奖1项，辽宁省技术发明奖一等奖3项；获何梁何利科学与技术创新奖、首届全国创新争先奖、全国优秀共产党员称号、全国五一劳动奖章。
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