呈现北京青年学术演讲比赛精彩内容，
弘扬科学家精神，
彰显科技界担当，
让更多感人的故事、
励志的青年走向台前，
突出科技创新和人才培养，
为青年人才开展跨学科交流、
展现前沿科技成果、
弘扬科学家精神搭建平台。
本期科学演讲秀带来中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院 高远（推介单位：北京水力发电工程学会）的《守护大国重器 材料人在行动》。
三峡工程被誉为中国的动力心脏，其恢宏的气势令人震撼。大河奔腾激流，高山巍峨耸立，其是“更立西江石壁，截断巫山云雨，高峡出平湖”的壮丽景观，也是集防洪抗旱、航运发电、供水灌溉、旅游养殖等巨大综合效益于一体的大国重器。2018年4月，习近平总书记考察三峡工程时曾说：“我们要靠自己的努力，大国重器必须掌握在自己手里。”无数人看着宏伟的三峡工程，自豪之情油然而生。
然而，专注材料科学研究的科技工作者关注的却不只是这些。在大家看不见的角落，不只是三峡工程，各个大、中、小型水电站都在承受着腐蚀和磨损的破坏，大国重器光鲜亮丽的背后是电厂耗费的巨大人力和物力。一座在运行的水电站是一个复杂的庞然大物，含有泥沙的江水流经水电站的各个环节。大型水电站设计年限达百年之久，其日复一日、年复一年地运转。在高速含泥沙水流的冲击下，水电站的关键部件难免会因腐蚀和磨损而失效，或埋下安全隐患，或造成巨大经济损失。
水电站腐蚀严重的部件
以空冷器为例，如果空冷器中一根直径为10毫米的冷却铜管在关键表面处出现了一个小小的砂眼，空冷器就会大面积漏水，导致部件报废，进而停机。仅1台机组停机检修，更换空冷器所需材料费及人工费就高达200万元。曾有电厂因为这个小小的砂眼问题，前后花费了将近1800万元的维保费用。此外，据估算，每年因材料问题停运或检修造成的电能损失竟高达十数亿千瓦时。
冷却铜管上的砂眼
那么，除了停机检修、更换部件，我们还能如何解决上述问题？怎样才能减少停机检修的次数和时间，创造更多的电能呢？作为材料领域的科技工作者，研发出一种耐磨、耐蚀的材料，为水电站关键部件穿上“铁布衫”，使关键表面的寿命延长数倍，进而提高整个部件甚至整个设备的使用寿命，即达到局部强化而整体受益的效果，成为团队追求的目标。
激光熔覆技术带来了破题之策。激光熔覆技术是在高能激光束作用下将熔覆材料与基材表面一薄层同时熔化并快速凝固，而后形成与基体呈冶金结合的表面熔覆层。通过与传统的涂料、堆焊、热喷涂等工艺对比，团队发现激光熔覆层结合强度高、稀释率低、热变形小。也就是说，激光熔覆层能把对基体材料的影响降到最低，同时达到我们要求的“铁布衫”的效果。这种技术的关键在于材料和工艺两个方面，成攻破题包括四个步骤。
第一步，获得材料腐蚀磨损的外因和内因。明确外部环境特性，利用多种检测手段，获得工况条件下江水中硬矿物含量、形状、冲击角度、射流速度等边界条件。这是要做到“知彼”。然后，以发生腐蚀磨损的典型部件为研究对象，利用各种材料学检测手段，获得微纳米级材料内部特性变化规律，从原子扩散、晶粒变形、微观相组成的角度，深刻剖析材料发生磨损腐蚀的内部核心因素。这是要做到“知己”。腐蚀、磨损当前，知彼知己，方能百战不殆。
取样检测硬矿物含量、形状、冲击角度、射流速度等边界条件
第二步，研发专用熔覆材料体系。在众多金属元素、非金属陶瓷颗粒中进行排列组合，针对关键部件外部环境特性，利用不同元素的固有优势，相互支撑，补齐短板，从成分设计角度实现腐蚀磨损性能的大幅提升。团队通过大量实验验证最终发现，在镍基合金中添加特定比例的碳元素和钨元素，可以显著提高熔覆层耐蚀耐磨性能。可谓是，千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金。
第三步，优化制备工艺参数。设计单道和多道实验，全方位考虑焦距、输出功率、熔覆速率等参数对熔覆层微观结构、元素分布、致密度、微缺陷等的影响。也就是说，为适应专用熔覆材料，需将各类工艺参数进行排列组合，最终获得的优化工艺参数，要保证制备的熔覆层与基体结合牢固、组织均匀、没有缺陷，并且满足实际腐蚀磨损防护需求。合理的成分设计需配合优化的制备工艺，才能真正打造关键部件的“铁布衫”。
优化制备工艺参数
进行工艺调试
第四步，熔覆层寿命预测。以制备出的熔覆层为实验对象，研究熔覆层在不同工况条件下的腐蚀、磨损性能变化规律，得到寿命预测模型，做到未雨而“筹谋”，防患于未然。熔覆层寿命预测为大国重器多上了一道保险。
以上四个步骤环环相扣，相互支撑，从生产实际出发，回归到科学研究探索。我们这项技术也获得了多项国家发明专利。在团队的共同努力下，激光熔覆耐磨耐蚀技术从实验室研发走向了工业应用。针对火电领域，团队研发出了高耐蚀镍基合金粉末材料和耐磨金属陶瓷复合材料，相关产品已在电厂锅炉、辅机、过热器、水冷壁管等工业部件上成功应用。经专业机构检测，使用了该技术的重要部件使用寿命普遍延长2～12倍。针对海洋需求，团队研发出了镍铬钼铜系耐蚀防污材料，制作的样件已开展实海试验。针对水电领域，团队研发出了陶瓷颗粒增强镍基合金材料体系，目前处在工艺调试阶段，未来在水电站、泵厂等领域，将展现出巨大应用价值。
应用于电厂水冷壁管
制作海洋样件
新技术的研发要经历漫长的周期，截至目前，团队已在这个方向潜心努力了至少10年。实验条件艰苦吗？曾经实验仪器一开，老鼠呛得从大门跑了出去，如今实验条件也得到了改善。实验累吗？连续8小时操作检测仪器是常事，通宵做实验还得提前预约。在这场马拉松似的研发赛跑中，团队的每个人都在默默坚持，心里憋着一股劲，手里的工作不能停。
习近平总书记曾说：“要做一个对社会有用的人，做一些对社会有用的事。为民族复兴铺路架桥，为祖国建设添砖加瓦。”我们材料领域的科技工作者没有一步到位的辉煌成绩，却有着实现目标的坚韧毅力和决心；没有慷慨的豪言壮语，却有着对实验和数据的执着；我们不求扬名立万，却想着做出真正有用的材料和技术，为国泰民安贡献自己的微薄之力。守护大国重器，材料科技工作者已在行动。
