“我们不光是做了一个世界上最大的金属呼啦圈，更重要的是这项技术打破了沿袭了数千年以来锻造领域的用大钢锭做大锻件这种思想。”
孙明月
中国科学院金属研究所研究员
年度陈嘉庚青年科学奖获得者
各位老师，各位同学，各位朋友，大家好！
我是来自中国科学院金属研究所的孙明月。
金属研究所，顾名思义就是研究金属材料的，我是做锻造成形的。
有朋友就问了，锻造这个行业，这就是打铁的呀！
它是一个传统的夕阳行业，理论和技术都已经很成熟了。还有什么可以创新的呢？
那么今天，就由我这个铁匠来讲述，我们是如何在传统领域老树开新花，实现原始创新的。
什么是国之重器
首先我解释解释，什么是国之重器。
这有一个大的背景，当夜色降临的时候，在繁华的城市当中，依然是一片灯火辉煌，这是人类在地球上创造的奇迹。
我们每一个人生活当中，当前都离不开一种重要的能源形式，那就是电能。
据统计，建国以来，我们国家的用电量增长了倍。
而且未来还有很大的缺口，那么从某种程度上来讲，用电量是反映了一个国家或者地区经济活跃程度的一个重要的风向标。
既然电能这么重要，我们就得加快电站的建设。电站主要有火电、核电、风电、水电等等几种形式。
那么电站里面长得什么样呢？我们走进去参观一下就可以看到，里面有很多金属的大家伙。
比如说直径5米，长度20多米重达五六百吨的核电的压力容器。
它是核反应堆的安全屏障，直径达到毫米，长度将近20米的主蒸汽管道。
它是核电站的主动脉，直径达到2.5米，重达吨的转子。
它是火电站的心脏，而这个直径达到11米，重达吨的水轮机转轮，它是整个水电的脊梁。
这些金属的大家伙，它们有着共性的特点，一个是重量大，另外一个就是特别重要。
它们往往是在高温、高压、辐照、重载、腐蚀等等极端环境下来服役的。对材料的性能有极高的要求。
它们常常被誉为是国之重器。
我们大家以往在央视上可能看到过《大国重器》这样一个纪录片，讲述了我们国家在装备制造领域的发展历程。
那么我们这里面就有很多电站里的金属大构件。
在《大国重器》里面，我们就能看得到这些金属的大家伙。
它们是怎么做出来的呢？
我来告诉大家，它们都是锻造出来的。
锻造是一个早在多年前就已经有了的一个古老的技艺。以往锻造都是靠人工的，是个重体力活。
俗话讲，世间有三苦。撑船、打铁、卖豆腐。
可以说，道出了这个行业的艰辛，当然现在都不是靠人工打铁，而是靠机器来打铁。
前面我们讲的那些国之重器，都是在万吨级压机上进行变形锻造得到的。在万吨压机上，锻造这个百吨级的钢锭就像揉面团一样轻松。
金属锻造的好处
那么为什么要对金属进行锻造呢？锻造有什么好处呢？
锻造是通过对金属在高温下进行反复变形，可以获得更致密，更细小的组织。同时提升材料的强度和韧性。
我们有句成语，叫千锤百炼始成钢。说的就是这个道理。
我们这幅图看到的，是世界上最大的锻件，是重量达到吨的汽轮机的低压转子。
那么这个大锻件的制造过程跟蛋糕的制作过程，是很相似的。
非常有趣，要想把蛋糕做好，首先就得把面团做好。
同样地，要想把这个大锻件做好，首先就需要优质的大钢锭。
那钢锭是怎么做的呢？它是将铁水浇铸到一个钢锭模里，冷却凝固之后就得到了这个钢锭。
右面那幅图我们看到的是世界上重量最大的，达到吨的大钢锭。
这个家伙看起来黑不溜秋的，好像也没什么难度。
不就是大一点嘛？多准备点铁水不就可以了嘛？好像没什么高科技含量。
这就像我们做大蛋糕一样，缺水了需要加面，缺面了就需要加水，蛋糕才会越做越大。一不小心就能创造一个世界纪录、
但实际情况，钢锭可不是说想做多大就能做多大的。
钢水的凝固过程，它是一个结晶的过程。就像水冷却到低温的时候，它会结冰一样。钢水凝固的时候，会有像雪花一样的树枝晶，从液体当中析出。
晶体在析出过程中有一个重要的现象，叫溶质再分配。
结晶的这个瞬间,这个晶体上的溶质含量跟母液当中的溶质含量,是存在差别的。
就像妈妈生宝宝一样，两个人的基因和长相，是不可能完全一样的。
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偏析的危害
那么这种溶质再分配现象，就会造成先凝固的金属和后凝固的金属，在成分上存在着差别，这种差别我们称之为偏析。
那一般来讲，凝固的时间越长，凝固的历程越长，这种偏析就越严重。
右面两幅图中，不同的颜色代表钢锭里不同元素的含量。可以看出来，这个偏析还是很严重的。
那么偏析，宏观上表现出来的是在钢锭里面，一条一条的黑道道就像一个人运动完之后，脸没洗干净一样。
一条一条的实际上是里面的元素严重地偏离了正常的水平，而且还富含夹杂物，这是一种冶金缺陷。
那么这种偏析有什么危害呢？
毫不夸张地来比喻，它就像人体里的癌细胞一样会破坏正常的机体组织，恶化材料的性能，而且最重要的是它会缩短材料的使用寿命。
举一个例子，年4月份的时候，我们国家南方一个核电站在安装从法国进口的蒸汽发生器的顶盖大锻件的时候，就发现在管嘴部位存在严重的碳超标这种现象。
实际上就是碳偏析这个位置的力学性能，显著低于预期值。那么这个大锻件在核电站上还能不能用，国内外的专家存在着很大的争议。
直到年的9月份这个电站才获批装料使用，耽误了整整四年的时间，每天的经济损失，就高达万元。
所以说这个材料的偏析危害有多大，从这个数字上就能够看得出来。为了解决这个偏析问题，国际上的众多冶金学者开展了大量的研究工作。
他们通过改变钢水的凝固过程试图改善这种偏析，但是由于这个钢锭尺寸实在是太大了，凝固速度极其缓慢，每个小时只能冷却一度。
在这个极其缓慢的冷却条件下，按照美国麻省理工学院弗莱明斯教授的凝固理论，他认为材料是有尺寸效应的，规格越大的材料它里面的偏析越严重。
规格越小的，这种偏析就越轻。
那么按照这种理论的话，这个偏析问题是一个无解的问题。
但是工程上，我们又特别需要材料里面没有偏析，希望它是均匀的。以往我们研究团队也跟着国际上这些大牛做一些修修补补的研究工作。
但是后来我们发现，这个不能彻底解决问题。要想真正解决这个问题，还得另辟蹊径。
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以小制大构筑成形
如果我们跳出大锻件用大钢锭制造，这种以大制大思路的局限，到建筑领域去看一看，就能够获得一些灵感。
所有宏伟的建筑物，都不是用一块大石头雕刻而成的，而是一砖一瓦地构建而成的。
那么类似地，我们这些国之重器这些大锻件是否也可以用这种方法来成形呢？
受这一思路的启发，我们在国际上率先提出了一种全新的材料加工技术叫金属构筑成形技术，这项技术是采用尺寸相对比较小冷速比较快的金属坯。
这种小尺寸的金属坯作为构筑的基元就像盖房子的砖一样，然后一层一层地把它叠起来，叠成一个宝塔。
然后将这个宝塔的层与层之间，通过真空的方式把它封装起来。使层与层之间处于一个高真空的状态。
加热到高温进行反复的大变形，就像揉面一样使层与层之间的界面，完全结合在一起，这样就可以得到一个大尺寸的材料。
这种材料和传统的钢锭比起来，表面看起来是一样的，但是内部的均匀性要好很多倍。这项工作是国际上前所未有的。
通过这种以小制大构筑成形，就能有望解决大锻件里面存在着偏析这样一个世界性的难题。
那么显然，大家最
