今年8月，國務院印發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》面向2030年“深度”布局，一系列重大項目與國家科技重大專項遠近結(jié)合、梯次接續(xù)。不管是研制重型運載火箭、建立空間站，還是研制全海深潛水器、建立深海空間站，或者是深地資源探測以及智能制造和機器人的研發(fā)，都少不了一個重要的基礎保障——先進材料。

    多年來，在我國科技創(chuàng)新“深度”發(fā)展中，西北有色金屬研究院憑借在稀有金屬材料領域的科研優(yōu)勢，多次打破國際壟斷，創(chuàng)造了該領域多個國內(nèi)“唯一”，為我國新型戰(zhàn)機、新型航空發(fā)動機、大飛機、神舟飛船、嫦娥工程、海洋工程等重點任務研發(fā)提供了材料基礎。今年以來，西北有色院緊抓“一院一所模式”復制推廣的機遇，加大布局新材料領域戰(zhàn)略前沿，搶占市場制高點。隨著國家面向2030年科技創(chuàng)新規(guī)劃“深度”布局的實施，西北有色院將進一步給力國家戰(zhàn)略、服務創(chuàng)新發(fā)展，為我國“深空、深海、深地、深藍”戰(zhàn)略提供材料基礎。

    稀有金屬助力“深空”飛天夢

    鈦及稀有金屬材料是航空航天產(chǎn)業(yè)不可或缺的結(jié)構材料，具有重要的戰(zhàn)略意義。鈦用量的高低決定了一個國家戰(zhàn)機的水平，也是衡量一個國家裝備制造業(yè)水平的重要指標。西北院是我國重要的鈦及鈦合金材料研發(fā)、加工、生產(chǎn)基地，承擔的鈦及鈦合金科研項目占我國有關鈦的項目總數(shù)的60%以上，研制的鈦合金涵蓋了高強、耐熱、低溫、耐蝕、高韌、損傷容限、阻燃、醫(yī)用等系列100多種，其中創(chuàng)新研制的鈦合金30多種，突破了多項關鍵技術，成功開發(fā)出一系列滿足重點型號飛機研制要求的關鍵鈦合金材料，生產(chǎn)的一系列鈦合金板材、鍛件已成功應用于神舟號飛船、大型火箭和先進導彈、飛機、艦船等高科技領域，為我國航空航天事業(yè)發(fā)展提供了有力支撐。

    其中，具有自主知識產(chǎn)權的高強及中強損傷容限型鈦合金及棒材和鉚釘專用鈦合金絲材，打破了發(fā)達國家的壟斷和禁運，填補國內(nèi)空白，已于2011年初在新型戰(zhàn)機上裝機首飛；針對新型戰(zhàn)機長壽命設計需求，研制出了新型戰(zhàn)機用鈦合金及大規(guī)格棒材等急需的關鍵鈦合金材料，保障了新型戰(zhàn)機的研制。針對我國大型發(fā)動機的研制需求，西北院研制出大型航空發(fā)動機用特種鈦合金棒材，保障了我國大型發(fā)動機的研制進度。同時，突破了高溫600℃鈦合金和阻燃鈦合金熔煉、棒材鍛造等方面技術瓶頸，打通工藝技術路線，開發(fā)出高溫鈦合金和阻燃鈦合金及其大規(guī)格棒材，為我國大推比航空發(fā)動機的研制奠定了材料基礎。

    當前，金屬3D打印成為制造飛機機翼和各種航空零部件的重要趨勢，金屬材料是首先需要解決的問題。其中，由于稀有金屬的特殊特性，稀有金屬3D打印粉末制備與技術成為該領域的重要難點，世界各國都在加快研發(fā)積極突破。西北院是我國最早從事3D打印專用金屬粉末和電子束粉床3D打印技術研究的單位之一，也是我國球形鈦合金粉末制備技術與裝備的源頭單位，已成為國家增材制造創(chuàng)新中心的骨干單位。

    早在上世紀八十年代，西北院就開發(fā)了我國第一臺等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉裝備，為我國激光送粉3D打印技術的發(fā)展提供了原料支撐。2007年，西北院與清華大學合作研制了我國第一臺鈦合金電子束粉床3D打印裝備，并在充分消化吸收國外裝備技術的基礎上，自主設計開發(fā)了第二代開源式電子束粉床3D打印裝備，主要性能參數(shù)達到國際先進水平，并成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。近年來，圍繞3D打印技術對超細球形粉末的重大需求，不僅開發(fā)了新一代等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉裝備，還針對粉床3D打印技術發(fā)展需求，開展了氣霧化制粉技術的研究，形成了年產(chǎn)20噸超細球形鈦合金粉末的生產(chǎn)能力。突破了電子束粉床3D打印鈦合金關鍵工藝技術，制備的多種鈦合金力學性能達到鍛件水平，并針對航空航天工程應用需求，開發(fā)了熱等靜壓后處理工藝，大幅提升了材料的穩(wěn)定性。

    在各項技術及設備不斷取得突破的基礎上，西北院不斷完善稀有金屬3D打印領域的產(chǎn)業(yè)鏈，電子束粉床3D打印應用技術成功應用到國家戰(zhàn)略中的同時，也推廣到國民經(jīng)濟各個領域。圍繞航空航天和生物醫(yī)療領域的需求，成功開發(fā)了上百種復雜鈦合金構件，并在3D打印多孔網(wǎng)格類金屬構件方面形成了特色。其中，研制的空間飛行器用軌控集合塊，首次參加系統(tǒng)試車便取得圓滿成功；研制的航空發(fā)動機用新型油氣分離器，通過了航空發(fā)動機設計單位的地面考核，表現(xiàn)出比傳統(tǒng)油氣分離器更佳的綜合性能；研制的新型戰(zhàn)機用隱身格柵和尾錐已經(jīng)實現(xiàn)批量供貨。

    在保障國家戰(zhàn)略需要的同時，西北院也積極拓展民用市場，服務國民經(jīng)濟發(fā)展。鈦/鋼爆炸復合材料最早是為我國衛(wèi)星及2348工程聚脂氧化塔配套的材料，它的研制成功對改善和提高部隊著裝條件作出了貢獻。近年來，西北院利用該項目技術成功開發(fā)出用于軍用、民用飛機外蒙皮的層狀復合材料，有效減輕了飛機的重量，提高了飛機外殼的耐蝕性能。

    隨著國家“大飛機”計劃、新型戰(zhàn)機、嫦娥工程、空間站計劃的持續(xù)推進，我國航空航天事業(yè)發(fā)展對新型材料的研發(fā)制備提出了更加苛刻的要求。西北院積極參與國家重大工程和戰(zhàn)略任務，并通過國際合作加大高端產(chǎn)品研制力度。西北院與俄羅斯電機械公司合作，引進先進技術與裝備，解決高推重比發(fā)動機制造領域高溫合金球形粉末及粉末渦輪盤制備技術及其應用的技術難點，滿足我國近年來航空航天產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求。

    高端應用貢獻“深海”強國戰(zhàn)略

    鈦合金的優(yōu)異特性被認為是一種天生的海洋工程結(jié)構材料。由于海水中有較高的氧化物、硫化物含量，以及水壓對工程構件的強大壓力作用，因而對海洋工程材料提出耐腐蝕、高比強度、高比韌性和良好的加工性的苛刻要求。而西北院利用自身的材料研發(fā)優(yōu)勢較早地開展了在海洋工程領域的探索與研究。

    加快發(fā)展海水淡化利用產(chǎn)業(yè)，是我國海洋強國的重要組成部分。在這一領域，西北院走在了全國前列。2012年，西北院成為海洋工程重大治溝項目的首批重大裝備組成員單位，開始做預研項目和產(chǎn)品制造。截至目前，西北院已經(jīng)完成了750噸、250噸海水淡化處理項目，實現(xiàn)了核心段管路、管件、標準件等關鍵裝備的全鈦化。在此基礎上，西北院還建立了管路核心部件強度實驗裝置，用來檢驗材料應用效果，為鈦材料應用提供保障，推動建立國家標準。

    瞄準海洋工程需求，西北院開發(fā)了多種鈦合金海洋結(jié)構設備，如大深度深潛器耐壓殼體及框架、海水介質(zhì)的換熱器、高溫海水介質(zhì)的鹽水泵、各種管道、閥門、石油勘探器具等。其中，通海管路系統(tǒng)已經(jīng)為地面驗證試驗提供了多規(guī)格400余種產(chǎn)品的地面驗證試驗。

    2013年，西北院積極響應黨的十八大提出的海洋強國戰(zhàn)略部署，在名譽院長周廉院士的推動下，通過與海洋石油開采、海水淡化、艦船等部門的交叉合作，積極主導參與了全鈦海水淡化蒸發(fā)器、全鈦艦船海水管路系統(tǒng)等示范工程，在深海空間站、深潛器、海洋能源開發(fā)等領域做了大量基礎和工程化工作。

    在海洋上，電力來源是個難點。西北院開發(fā)了1000瓦的海洋風力發(fā)電設備，采用新方法提高了發(fā)電效率，并且解決了大型風力設備制造安裝運輸困難的難題。目前，1000瓦設備已經(jīng)即將投入使用，3000瓦、5000瓦的大功率設備正在抓緊研發(fā)。

    與此同時，西北院研發(fā)的用于新一代艦船的鈦合金管注系統(tǒng)，已經(jīng)為地面驗證完成三批供貨；面對深海空間站項目，開發(fā)的耐壓殼體材料也取得重要突破。今年6月，西北院聯(lián)合國內(nèi)數(shù)十家單位發(fā)起成立了“中國海洋材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新技術聯(lián)盟”，共同推進我國海洋材料產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新。在海洋強國夢中，西北院將再次貢獻重要力量！

    自主創(chuàng)新加速“深地”能源聚變

    我國能源需求增長快速，核電能源是清潔高效、發(fā)展前景廣闊的優(yōu)良能源，而西北院正是國內(nèi)開展核電站用鋯材研究的主力單位，較早地為鋯合金材料的工業(yè)化生產(chǎn)進行技術儲備，并成功地為國內(nèi)自行設計的第一座核電站——秦山核電站提供了材料支持。

    近些年，在我國核電“自主化”和核電“走出去”的重大戰(zhàn)略中，西北院更是憑借多年的技術積淀，為推動我國核電關鍵材料自主化發(fā)揮了重要作用，被譽為“中國芯”的制造者。

    在核電領域中，鋯是第三代反應堆不可替代的材料。鋯合金作為包殼材料是保障核電安全的重要材料，和金屬鈾一樣，是重要的戰(zhàn)略原料，受到發(fā)達國家的技術封鎖。同時，鋯合金材料工藝復雜，其加工水平代表了國家金屬材料的加工水平，是國家綜合實力的體現(xiàn)。

    西北院依托半個多世紀持續(xù)不斷對鋯合金研發(fā)累積的成果，圍繞我國核電自主化和核電走出去的目標，實現(xiàn)了鋯合金和成套工藝的自主化，建成國內(nèi)唯一鋯合金包殼材料完全自主建設的生產(chǎn)線，達到世界先進水平。明年3月，將進入產(chǎn)業(yè)化階段，預計“十三五”末將實現(xiàn)商業(yè)供貨。

    控制棒是調(diào)節(jié)核反應堆反應速度的關鍵部件。長期以來，我國控制棒堆芯關鍵材料依賴進口，嚴重制約了自主核電技術的發(fā)展。2014年，西北院生產(chǎn)的國產(chǎn)銀合金控制棒，成功應用于陽江核電站一號機組，實現(xiàn)正常發(fā)電，標志國產(chǎn)銀合金控制棒正式得到應用。2015年，建成國內(nèi)首條三代核電堆芯關鍵部件銀合金控制棒生產(chǎn)線，具備系列核電用銀合金控制棒產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力。截至2016年6月底，西北院已給國內(nèi)外25座核電機組交付銀合金控制棒近3萬支，產(chǎn)值超過4億元。

    與此同時，西北院不斷增強核級產(chǎn)品的配套能力，開發(fā)了核電用不銹鋼及鎳基合金等產(chǎn)品，負責完成了中核集團2020“龍騰計劃”子課題“華龍一號”用不銹鋼及鎳基合金的研制，同時完成了中電投集團AP1000核電用不銹鋼及鎳基合金的研制及樣品的生產(chǎn)。

    “十三五”期間，預計國內(nèi)將新建超過20臺核電機組，銀合金控制棒的需求量將超過6萬支，不銹鋼及鎳基合金的需求將超過100噸。預計2020年到2030年我國還將建超過50臺核電機組。西北院將不斷增強核級產(chǎn)品的配套能力，加快研發(fā)，推動核電反應堆堆芯關鍵設備和材料完全國有化。

    此外，除了高性能鋯合金的研究，研究院還在超導材料研制方面獲得突破，為國際熱核聚變項目“人造太陽”工程提供關鍵材料，也積極聯(lián)合其他單位，為國內(nèi)的“人造太陽”用超導材料需求開展攻關保障。

    超導是20世紀最重大的科學發(fā)現(xiàn)之一，指的是某些材料在溫度降低到某一臨界溫度電阻突然消失的現(xiàn)象，具備這種特性的材料被稱為超導體。超導材料在電力能源、高端醫(yī)療設備、軌道交通、大科學工程、軍工等領域有著廣泛的應用前景。西北院“超導材料制備國家工程實驗室”是我國唯一同時開展低溫和高溫兩類超導材料研發(fā)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的單位，率先攻克了高均勻鈮鈦合金熔煉和高臨界電流密度線材制備技術難關，被國際超導界譽為“開創(chuàng)了高臨界電流密度和鈮鈦超導體研究的新紀元”。西北院也是國內(nèi)唯一實現(xiàn)低溫超導線材商業(yè)化生產(chǎn)的單位，是目前國際上唯一的低溫超導鈮鈦錠棒及線材全流程生產(chǎn)單位，并成為國際熱核聚變實驗堆項目唯一國內(nèi)供貨商。今年一季度，為國際熱核聚變實驗堆項目提供的價值6億元的鈮鈦線材和鈮三錫線材已全部供貨。

    高溫超導自上世紀80年代發(fā)現(xiàn)以來，一直是國際材料領域研究的熱點。西北院在與國際同步開展高溫超導材料制備及應用研究，目前也取得多項突破。基于超導材料的制備技術“集束拉拔技術”，研制出脈沖磁體用“高強高導銅基復合材料”，并制作出高磁場脈沖磁體，實現(xiàn)了批量化制備。該技術已成功應用于我國強磁場實驗室的脈沖磁體制造，采用該線材繞制的脈沖磁體，最高場達到90特斯拉，居亞洲第一、世界第三。2007年，西北院瞄準加速器、聚變堆用磁體等高磁場系統(tǒng)應用的鉍系高溫超導線材開始研究，去年取得較大進展，實現(xiàn)了小批量制備百米級線材，性能達到國際先進水平。今年年初，西北院和中科院等離子體所合作，制作出聚變堆用高溫超導導體，為我國下一代聚變工程堆設計和開發(fā)奠定了良好的材料基礎。

    供給側(cè)改革搶占“深藍”先機

    立足國家戰(zhàn)略，研制關鍵材料同時，研究院也積極開展“供給側(cè)”改革，加強高端產(chǎn)品研制，拓展新領域，布局新產(chǎn)業(yè)，在助推節(jié)能環(huán)保、健康醫(yī)療、生物醫(yī)用材料等領域進行升級改造，為綠色生活提供更多的材料支撐。

    盛夏的一個午后，在西北院磁體制作車間，我們目睹了研究人員制作“磁體”的過程：長達數(shù)千米比頭發(fā)絲還細的超導線材需要仔細纏繞成“磁籠”，強大的磁場就在這個“磁籠”中間產(chǎn)生。現(xiàn)場科研人員介紹，“磁體”制備工藝復雜，全世界只有兩家單位可以生產(chǎn)，西北院就是其中之一。

    二硼化鎂被稱為超導材料領域最耀眼的“新星”。在國家863、973項目的支持下，西北有色院實現(xiàn)了千米量級二硼化鎂超導線材的小批量制備，成為國內(nèi)唯一一家在世界上能制備千米量級二硼化鎂超導線材的單位之一。目前，該項目瞄準直接制冷的核磁共振成像儀系統(tǒng)正在積極推動產(chǎn)業(yè)化，預計“十三五”期間可實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。在此基礎上，西北院進一步拓展在超導領域全產(chǎn)業(yè)鏈加工生產(chǎn)優(yōu)勢，通過開展國際合作，突破了磁體制備技術，實現(xiàn)了大尺寸單晶硅用超導磁體產(chǎn)業(yè)化、磁共振成像儀用超導線材的批量生產(chǎn)，并不斷拓展超導磁體在重離子、質(zhì)子加速器腫瘤治療、艦船綜合電力系統(tǒng)、污水處理等新領域的應用。

    西北院在生物材料和細徑金屬管材和超細絲材加工技術、醫(yī)療器械開發(fā)及精密成型技術、表面改性技術研究、醫(yī)用金屬材料生物力學及微觀組織調(diào)控、特種加工技術等領域取得了多項突破，開發(fā)了一系列國內(nèi)領先、達到國際先進水平的稀有金屬生物材料。開發(fā)出了新型血管支架、牙種植體、人工髖關節(jié)、顱頜面骨修復網(wǎng)板、髓內(nèi)釘、脊柱后路內(nèi)固定系統(tǒng)、接骨板和各種醫(yī)用螺釘?shù)?大類醫(yī)療器械產(chǎn)品。

    目前，齒科用純鈦材已于2015年11月拿到了首張醫(yī)療器械注冊證書即“齒科用純鈦”，其余的齒科用合金，已經(jīng)通過了北京大學口腔醫(yī)院醫(yī)療器械檢測中心、四川省醫(yī)療器械檢測中心的形式檢測和生物安全性評價，相關技術評價資料已提交省藥監(jiān)局技術評審中心，藥監(jiān)局已通知無需再提交相應的補充資料，待審批發(fā)證。

    此外，西北院通過與國內(nèi)醫(yī)療器械單位的聯(lián)合，開發(fā)了髖臼杯、脊椎融合器等新型骨植入體，目前已在國內(nèi)5家醫(yī)院開展了120例臨床評價試驗，已有近200個3D打印骨科植入物，成功植入人體。

    除了健康醫(yī)療、生物醫(yī)用材料，在節(jié)能環(huán)保領域，西北院也大展身手，助推綠色生活。

    金屬多孔材料由于其特殊的物理和結(jié)構性能，被廣泛應用于航空航天、交通運輸、建筑工程、節(jié)能環(huán)保等領域。西北院依托金屬多孔材料國家重點實驗室，成為國內(nèi)最早從事不銹鋼纖維氈的研究開發(fā)單位，實現(xiàn)了金屬纖維及制品產(chǎn)業(yè)化的目標，并建成全國最大的金屬纖維及其制品的生產(chǎn)基地。近年來，西北院不斷拓展金屬多孔材料在節(jié)能環(huán)保領域的應用，在高溫煙氣除塵、大氣污染固體顆粒治理、柴油車尾氣凈化、煤化工精密過濾、水處理等節(jié)能環(huán)保方向，突破了金屬多孔材料的應用難點，生產(chǎn)出的金屬纖維制品、金屬復合膜多孔材料及元件，以及成套的節(jié)能環(huán)保設備，在鋼鐵冶金、能源、交通等領域成功應用，預計“十三五”期間將實現(xiàn)大規(guī)模應用。

    8月11日，西北院“火力發(fā)電廠鍋爐尾氣用金屬濾袋及除塵器生產(chǎn)線技術改造項目”正式開工建設。此次改造將突破低成本高產(chǎn)能金屬纖維的關鍵技術，大幅降低金屬纖維氈的生產(chǎn)成本，實現(xiàn)金屬濾袋的推廣應用，形成金屬濾袋及除塵器的批量生產(chǎn)能力。該項目的實施標志著西北院在金屬纖維、金屬纖維氈的研究、開發(fā)及生產(chǎn)方面處于國內(nèi)同行業(yè)中領先地位，將在國際行業(yè)中產(chǎn)生較大影響力。

    在高性能膜材料領域，西北院開展了大規(guī)格異型多孔材料、高性能膜材料及新型過濾設備開發(fā)和生產(chǎn)。目前，已完成金屬膜復合濾芯及碳化硅陶瓷膜復合濾芯生產(chǎn)線建設，達到批量化生產(chǎn)水平，產(chǎn)品綜合性能超過國外進口產(chǎn)品，價格比國外產(chǎn)品降低一半；其生產(chǎn)的公共直飲水設備，采用全物理過濾方式，可完全去除自來水中各種對人體有害的物質(zhì)，該產(chǎn)品已實現(xiàn)中試。隨著這一系列節(jié)能環(huán)保新產(chǎn)品、設備的大規(guī)模應用，西北院將助推全省乃至全國節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)再升級。