為特種銅合金尋找用武之地

銅，作為一種重要的工業(yè)金屬，其優(yōu)良的延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性使其在社會經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)了不可或缺的地位。中國有研科技集團有限公司教授級高級工程師王強松，長期以來一直專注于特種銅合金的應(yīng)用及開發(fā)。2023年，他領(lǐng)銜的“超低溫高強高韌及高阻尼特種功能材料研發(fā)”項目，被授予中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎一等獎。而這一項目中，最為核心的就是“錳銅合金”。

從2010年起，王強松就帶領(lǐng)團隊持續(xù)就特種功能的錳銅合金進行系統(tǒng)的研究開發(fā)。十余年間，在國家自然科學(xué)基金、省科技廳基金項目、單位自主立項項目等支持下，他們開發(fā)出了超低溫高韌及高阻尼性能的系列錳銅合金，并對材料的組織結(jié)構(gòu)及性能機制進行了深入探索，成果已在兵器、航天等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

“材料能用得上，這是我做科研的一個巨大驅(qū)動力，讓我感到特別興奮和自豪?！蓖鯊娝烧\懇地表示。對他而言，錳銅合金材料具有特殊的意義，這將是他進行大規(guī)模民用推廣的重要材料，在鐵路、橋梁等方面將產(chǎn)生廣泛的應(yīng)用前景。近年來，他忙于奔波，就是為此在與潛在用戶積極溝通?！拔乙恢痹诙⒅裼猛茝V這件事。”他說。

循序漸進，推進錳銅合金研究

隨著航空、航天技術(shù)的發(fā)展，特別是大推力液氧煤油發(fā)動機和大風(fēng)洞實驗裝置的應(yīng)用，由于其應(yīng)用環(huán)境的特殊要求（-183℃低溫和富氧），對材料的低溫綜合力學(xué)性能、低溫沖擊韌性及材料在富氧條件下的穩(wěn)定性等提出了更高的要求。王強松希望通過“超低溫高強高韌及高阻尼特種功能材料研發(fā)”項目，在特種銅合金上取得進展，來應(yīng)對這一局面。

用王強松的話來說，所謂“特種”，就是發(fā)揮材料的特殊功能性特征解決重大裝備和型號的特殊性能需求。國外對超低溫環(huán)境下耐磨銅合金材料的研究由來已久，美國就明確將銅鎳合金作為超低溫銅合金材料的發(fā)展方向，并已形成系列產(chǎn)品，應(yīng)用在航天器上。“但這些技術(shù)對我們是封鎖的，我們只能慢慢摸索?！?/p>

以超低溫高韌材料為例，王強松團隊成功研制了Cu-20Mn-X，并將其與復(fù)雜黃銅、錫青銅和鋁青銅這3種傳統(tǒng)耐磨銅合金材料進行了對比研究。結(jié)果證明：與傳統(tǒng)鋁青銅和鈹銅材料相比，他們所開發(fā)的低溫銅合金材料在-180℃環(huán)境下仍保持較高的韌性，同時還能保持其在富氧環(huán)境下的耐火花沖擊性能。鑒于此，這項成果在航天液氧煤油火箭發(fā)動機上替代了原傳統(tǒng)鋁青銅材料部件；解決了相關(guān)部件密封卡滯及耐氧化能力不足的問題，提高了相應(yīng)裝備的運行可靠性，經(jīng)推廣后，可以間接產(chǎn)生經(jīng)濟效益40億元?！暗荒茉谔囟l件下用于重大裝備，目前應(yīng)用場景很少。阻尼合金材料就不同了，應(yīng)用前景非常廣泛。”

據(jù)王強松介紹，我國在高阻尼錳銅合金研究方面起步較晚，與國際先進水平相比，成分、種類均較少，阻尼性能有待提高，在合金耐腐蝕性能、力學(xué)性能等方面也有所欠缺。為此，他和團隊通過添加鎳、鋁、鐵、稀土等微量合金元素，提高合金的反鐵磁轉(zhuǎn)變及馬氏體相變的相變點，進而使合金在室溫下發(fā)生馬氏體相變，獲得高阻尼性能，所開發(fā)的Cu-50Mn-X合金是種具有優(yōu)異阻尼性能的結(jié)構(gòu)功能一體化合金，兼具耐腐蝕、強度、韌性等綜合力學(xué)性能，在兵器、交通、鐵路、精密儀器及航空領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，這種材料已經(jīng)在我國重要型號上獲得應(yīng)用，較好地滿足了該領(lǐng)域?qū)\行可靠穩(wěn)定性的需求。

尤為重要的是，高阻尼錳銅合金不僅在國防相關(guān)領(lǐng)域獲得應(yīng)用，還憑借其優(yōu)異的減震、降噪性能，在民用上有了更多可能。據(jù)統(tǒng)計，在機器制造業(yè)中，近80％的事故和設(shè)備的損壞是由共振造成。火箭、衛(wèi)星失效分析表明，約2/3的故障與振動和噪聲有關(guān)?！霸蹅冋＠斫獾臏p震材料，一般是彈簧、橡膠及枕木等材料。所不同的是，錳銅阻尼合金是一種金屬材料?！痹谕鯊娝煽磥?，高阻尼錳銅合金能夠?qū)C械動能通過材料的馳豫滑移而消耗掉，顯著降低電子設(shè)備、儀器儀表、機械結(jié)構(gòu)等在使用環(huán)境下的振動、擾動和噪聲，保證設(shè)備裝備的使用安全性，可應(yīng)用在我國相關(guān)航空特種裝備、無人機裝備、路基發(fā)射裝備等裝有火工裝置的產(chǎn)品上，降低產(chǎn)品上火工裝置作用產(chǎn)生的高頻沖擊。由于它能夠消除機械振動、保障儀器傳導(dǎo)信號保真、精密儀器的穩(wěn)定運行，在我國軌道交通、橋梁建設(shè)等領(lǐng)域前景遼闊。

“高阻尼錳銅合金材料的減震效果到底怎么樣？舉個例子來說，它是木頭減震效果的7倍，當(dāng)然，跟彈簧、橡膠沒的比。但彈簧、橡膠也有其弊端。彈簧裝置整體結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，占用空間大，而且還容易失效；橡膠的問題則是強度低，怕火，也怕風(fēng)化；等等。所以，在穩(wěn)定性和安全性上，高阻尼錳銅合金材料的優(yōu)勢還是很大?！蓖鯊娝烧f。經(jīng)過市場調(diào)研，他發(fā)現(xiàn)我國已經(jīng)在橋梁項目中使用過高阻尼金屬材料，但多為鋅合金。與之相比，高阻尼錳銅合金材料的強度接近其兩倍，延伸率也幾乎要翻番，總體性能更優(yōu)越，并且具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。但作為一個新材料，高阻尼錳銅合金的存在還未被更多人接納。“一個新材料從出現(xiàn)到被用戶認(rèn)可，需要一段過程?！蓖鯊娝傻ǖ乇硎?，最近，在他的接洽下，橋梁阻尼器已經(jīng)開始進行模擬實驗。“要循序漸進，慢慢來?！?/p>

專注堅持，迎接銅的春天

王強松常?；貞浧鹪诨鶎悠髽I(yè)工作的日子。1992年，他從北京科技大學(xué)畢業(yè)，被分配到河南舞陽鋼鐵公司，不久調(diào)任洛陽?！拔以诼尻枎т搹S待了將近10年，那是對我后來工程實踐經(jīng)驗幫助最大的10年?！?/p>

洛陽帶鋼廠是一個“小廠”，最大的特點是缺人。王強松到崗后，成為這家小廠當(dāng)時唯一的大學(xué)生技術(shù)員。從加熱爐、爐排機、移鋼機到短應(yīng)力軋機等，他都一一涉獵。自己設(shè)計圖紙、自己加工，同時負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)安裝……幾年下來，王強松變得膽大心細(xì)、敢想敢干，這也成為他日后事業(yè)生涯中的珍貴品格。

2002年，走出小廠后，王強松加入洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院。在身邊人看來，這是一個“金飯碗”，可王強松捧著捧著，就越發(fā)覺得要自我提升。為此，他在2005年重新考回北京科技大學(xué)材料加工專業(yè)，進行碩博連讀，畢業(yè)后任職于北京有色金屬研究總院。“這里的定位是以需求為牽引，以應(yīng)用為目標(biāo)，這與我原來的目標(biāo)不謀而合。社會和行業(yè)的需求是什么，我要攻克的問題就是什么，做出來的成果能用得上，是我的終極目標(biāo)?！?/p>

近5年來，王強松主持、承擔(dān)和參與各類國家科技計劃5項，并承擔(dān)國防類項目十多項。攻關(guān)無坦途，王強松一步一個腳印往前走，一路行來，他總是對攻關(guān)歷程輕描淡寫，但有一個故事卻令他難忘。2023年4月，他應(yīng)邀參與一項重點型號的歸零項目?！爱?dāng)時，項目關(guān)鍵部件原本采用的是國內(nèi)外非常成熟的傳統(tǒng)材料，項目進行到接近完工的時候，打樣結(jié)果出現(xiàn)了問題。”王強松介入項目時，生產(chǎn)廠家已經(jīng)“撲”在這些樣品上四五個月了，依然一無所獲。在專家論證會上，通過一些來自工藝加工的小環(huán)節(jié)，王強松發(fā)現(xiàn)其中存在異常，并提出項目歸零的研究方案和建議。經(jīng)過專家評審，生產(chǎn)廠家簽署了技術(shù)合同，委托他進行歸零研究。初期調(diào)研后，王強松發(fā)現(xiàn)了材料中的某個成分異常，其含量在ppm級（百萬之一級），同時在國/軍標(biāo)體系中對此成分均無明確要求，它甚至不在驗收范圍內(nèi)。怎么辦？王強松還是決定進行排查。經(jīng)過王強松團隊不懈努力，最終通過高倍及掃描電鏡等多種手段鎖定了“始作俑者”，并明確了這一成分在此類材料體系中的最佳含量控制范圍。

“如果已裝配完成的產(chǎn)品混入不合格材料后全部報廢，就是幾個億的損失?！睆S家代表很是發(fā)愁，王強松也愁，他也想盡快把問題找出來?！拔覀冊诂F(xiàn)場一直商量，突然靈感就來了?！闭f到這里，他語調(diào)輕松。這一次，他真的找對了方法，通過無損檢測的方法，從紛繁復(fù)雜的產(chǎn)品中挑出了近四分之一不合格品，破壞性實驗結(jié)果顯示，通過無損檢測方法檢驗的合格品成功率達到了100%，測量出的結(jié)果與實際情況完全相符。而這一發(fā)現(xiàn)，不僅為生產(chǎn)廠家挽回了兩億多元的經(jīng)濟損失，還使得相應(yīng)驗收標(biāo)準(zhǔn)得以修正，為后續(xù)產(chǎn)品特別是同行業(yè)的質(zhì)量控制提供了依據(jù)，意義重大。

在王強松眼里，這是他“最得意”的事?！罢业皆颍俏覀儗I(yè)積累充分的結(jié)果，但是在實物上挑出問題所在，將損失降到最低，才真正令我胸懷激蕩，特別有成就感?！彼J(rèn)為，科研人員的職責(zé)，第一是立足重大裝備型號的需求，解決難點、拐點、痛點問題；第二則是既要在行業(yè)中發(fā)出自己的聲音，也要積極參與解決重大投入項目中的共性問題?！皬难芯可险f，我們與國外并無太大分別，真正的差距往往表現(xiàn)在生產(chǎn)工藝過程中的質(zhì)量管理控制環(huán)節(jié)，是否嚴(yán)格規(guī)范，幫助企業(yè)規(guī)避這些缺陷?！?/p>

這種理念，也影響了王強松培養(yǎng)年輕人的方式。在他的指導(dǎo)下，進入團隊的在讀碩博生都要直接參與到項目中去?！拔視兔總€人制定好他們的方向，他們不僅要做好自己的工作，還要在需要團隊合作的時候投入進去?！蓖鯊娝山o予學(xué)生肆意生長的空間，放手讓他們做自己想做的事，不用擔(dān)心實驗經(jīng)費?！拔也幌Ｍ麄冄鄹呤值?，不要看眼前利益，隨著別人一哄而上；而是要有洞察力，不是大而全地盲目去干，要學(xué)會對整個科研平臺資源合理調(diào)配利用。當(dāng)然，論文數(shù)據(jù)要真實，我們做材料研究，不能只是為了獲獎和寫論文，還是要做實事，最終讓成果能用得上?！?/p>

王強松多次強調(diào)“用得上”，這已經(jīng)成為他的堅定信念。多年來，他始終走在少有人走的路上，用他獨特的方式去為產(chǎn)學(xué)研用作貢獻。他不介意給自己貼標(biāo)簽，并用堅持和專注來形容做事風(fēng)格?！白哉J(rèn)為很有興趣的事，我就會堅持去做。專注于用戶需求，把事情做成，讓用戶認(rèn)可，這對我來說最重要，別的都無所謂?！?/p>

日前，王強松應(yīng)邀在清華大學(xué)公共管理學(xué)院培訓(xùn)班上作報告，他講述了自己對“銅”的信心?！疤胤N銅合金領(lǐng)域，國內(nèi)外消息是不暢通的。我國對銅的需求很大，但在高端核心技術(shù)上還是存在壁壘，譬如我認(rèn)為未來的重點在于壓延銅箔和高端板帶。但要如何才能拓展特種銅合金應(yīng)用及開發(fā)，只能靠我們與用戶充分溝通?！彼χf，“挑戰(zhàn)很大，但從另一個角度看，未來幾年，銅的春天也要到了?！?/p>

專家簡介

王強松，中國有研科技集團有限公司教授級高級工程師、博士研究生導(dǎo)師。任中國有色金屬學(xué)會合金加工學(xué)術(shù)委員會委員、中南大學(xué)和北京工業(yè)大學(xué)兼職導(dǎo)師，華北理工大學(xué)外聘教授、河南科技大學(xué)外聘教授、河南省科學(xué)院外聘研究員。1992年畢業(yè)于北京科技大學(xué)鑄造專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位；1992—2005年先后就職于舞陽鋼鐵公司、洛陽市帶鋼廠、洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，歷任工程師、高級工程師；2005—2010年就讀北京科技大學(xué)材料加工專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。

主要從事先進銅及銅合金材料的設(shè)計制備、成型工藝等領(lǐng)域的基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究。近5年主持、承擔(dān)和參與各類國家科技計劃5項，并承擔(dān)國防類項目十多項，部分研究成果已在我國兵器、航天、艦船等重大裝備及型號上獲得應(yīng)用；已發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文20余篇，編寫銅合金材料領(lǐng)域?qū)Ｖ?項，申請國家發(fā)明專利20多項；作為第一完成人獲得省部級科技進步獎一等獎2項，作為主要參與人獲得中國兵器裝備集團科技進步獎一等獎1項、國防科工委科技進步獎二等獎1項。