一、研究的背景与问题

大锻件是核电石化、冶金机械、航空航天、国防军工等领域国家战略性关键装备的核心部件，常在高温、高压、辐照、重载、腐蚀等极端环境下服役，对材料有极高要求。传统上，大锻件采取“以大制大”的手段制造，即先铸造大铸锭再将其锻造成大锻件。由于金属凝固存在尺寸效应，规格越大的铸锭内部偏析、疏松等缺陷越严重，导致锻件的均质性越差，严重影响材料使役性能。如何解决大尺寸材料制备过程的尺寸效应问题，是当前重大装备核心大构件面临的最主要的科学问题，也是一项世界性难题。

二、解决问题的思路与技术方案

中科院沈阳金属所孙明月项目团队在长期从事大锻件材料与先进控形控性技术研究工作的基础上，借鉴建筑领域的“砌墙”原理，将传统的锻造与新兴的增材制造技术巧妙结合，在国际上率先提出了解决大尺寸材料偏析问题的构筑成形新思路：采用多块易于制备的小尺寸均质化的板坯作为基元，通过表面加工、清洁活化、堆垛组坯、真空封焊、高温锻造、多向变形等手段，获得大尺寸均质化材料。该技术兼具颠覆性、可操作性和经济性的特点，可有效解决大锻件制备过程中因铸锭凝固速度缓慢造成的“尺寸效应”问题，在显著提升大锻件冶金品质的同时，可提升材料利用率，吨钢制造成本降低30%以上。同时，还可实现压力容器等大锻件的一体化成形，减少容器焊缝数量约50%，显著提升结构的安全性、可靠性和装备建造进度。

四、主要创新性进展

项目团队紧紧围绕大锻件构筑成形过程中均质化基元制备、表面清洁与活化处理、界面冶金结合与组织性能调控、界面组织性能表征评价等若干关键科学与技术问题，开展了界面结构、界面缺陷和组织演化、界面氧化膜分解以及构筑界面在近服役环境下的力学行为研究。开发出构筑坯料表面高效加工与清洁化处理技术，可形成洁整表面，防止有害介质残留。解决高温、高压、真空、大变形条件下的界面连接问题，开发出构筑界面热变形连接及组织均匀化技术，研究了构筑界面的再结晶演化机制，确定了合适的热加工工艺参数，有效调控了合金的扩散和再结晶行为。采用多尺度计算与原位实验相结合的研究手段，解析了构筑界面的微观结构特征，揭示出纳米氧化物与界面的交互作用，探明了界面氧化物的形成、分解、反应规律，构建出氧化物演化动力学模型。提出了热加工过程中氧化膜调控分解技术，可有效破碎和消除构筑界面的氧化膜，使界面区域材料力学性能达到与基体一致的水平。在此基础上，评价了近服役条件下构筑界面的力学性能，建立了若干材料与大锻件的考核体系和评价标准。

该技术申请和授权发明专利二十余项，发表论文二十余篇。其中核心专利“金属构筑成形方法”获第二十二届（2021年）中国专利奖金奖。

四、应用情况与效果

项目团队研制出金属构筑成形原型装置，支撑企业完成首台套单重200吨级示范线建设。研究成果在多家企业10万余吨锻件上应用，合作企业新增销售额28亿元。研制出环类、筒类、轴类、管类、盘类大锻件产品，解决了水电、核电等重点工程关键材料的“卡脖子”问题。部分典型构件应用情况如下：

1、四代核电φ15.6m支承环

2019年研制出四代核电直径15.6米、重150吨整体无焊缝不锈钢环形锻件并实现装机应用。该巨型环件的特点是整体无焊缝，均质化程度高，组织均匀性好，将应用于我国第四代核电机组，其成功研制将有力地保障我国核工业领域重大装备的实施。作为我国第四代核电机组核心部件的支承环，不但是压力容器边界、安全屏障，而且结构上承受7000吨重量，是整个堆容器的“脊梁”。研究成果在中央电视台《朝闻天下》、《人民日报》、《科技日报》等媒体上报道，并入选“壮丽70年”共和国发展成就巡礼和中科院2019年度科技成果转化亮点工作。

2、四代核电大口径不锈钢主管道

四代核电φ715mm大口径一体化压力管是核电站的关键部件。其服役温度高、服役时间长、所受载荷苛刻、复杂，因此需要压力管材料强韧性匹配好、组织均匀高、抗晶间腐蚀和良好的疲劳性能。中国科学院金属研究所采用金属构筑成形制坯-大口径管坯挤压-中频热推弯的工艺方案，顺利完成了压力管弯管试验件制造。采用金属构筑成形制坯-正挤压-反挤压工艺方案，完成了大口径压力管三通试验件的研制。

3、三代核电压力容器关键构件

利用原创的金属构筑成形技术，完成了直径5米、高度3米的SA508-3钢压力容器筒体和150吨级直径5米的SA508-3钢水室封头的研制。该筒体、封头将进行解剖评价，通过考核后有望应用于三代核电压水堆及四代核电高温气冷堆的压力容器。

信息来源：中国科学院金属研究所