一个多月前，高分十一号卫星发射成功，中国科学院金属研究所研发的金属基复合材料发挥了重要作用。众所周知，航天器对材料的要求十分苛刻，比如轻量化就是其中一项指标，金属基复合材料恰好符合需求。金属所研究员马宗义带领团队，致力于高性能金属基复合材料的研究，近5年来，为遥感、风云、高分、嫦娥、北斗、东风、天宫、龙舟等十几个关键型号，提供复合材料产品百余批次、万余件。
日前，马宗义在接受《中国科学报》记者采访时表示：“高性能金属基复合材料是国家重大战略与国民经济建设迫切需求的一种工程材料，我们在该领域取得一系列关键技术突破和应用，一些技术产品不仅打破国际封锁，还推动了国家高新技术重大装备的快速发展。”
抓住机遇组建团队
金属基复合材料是向金属中添加陶瓷、碳等异质材料形成的一种复合材料，具备抗疲劳、耐磨、高导热、低热膨胀以及辐射屏蔽等优点，是航空航天、电子封装、装备、核电、汽车、轨道交通等国家重大需求和国民经济装备制造所需的关键材料，其用量也是材料科技水平的标志之一。
早在2000年，北美、欧洲及日本等发达国家已形成了成熟的金属基复合材料产业，产量达到全球用量的80%以上。我国金属基复合材料研发起步较晚，落后发达国家近30年，同期还停留在实验室研发阶段。
由于应用背景敏感，国外长期对我国进行严密的技术封锁。马宗义指出：“多年来，我国金属基复合材料自主研发面临组织性能难控、制备与加工困难等无法逾越的共性难题，陷入技术进展缓慢、需求牵引不足两者相互制约的困境，一直未能实现应用突破。”
“十一五”开始，国家中长期规划开展“载人航天与探月工程”“高精度对地观测”“大型压水堆与高温气冷堆”等重大专项任务，这为高性能金属基复合材料的发展带来前所未有的机遇。
然而，这些高技术装备的建设也为当时的研究水平带来极大挑战，需建立工程化制备、成型加工等关键技术，才能适应产品质量稳定化、规模与批量化应用需求。马宗义团队也是国内最早开展金属基复合材料研究的科研团队之一。
近年来，马宗义团队开展了工程化制备技术研发。他告诉记者：“我们先后突破了短流程与规模化粉末冶金制备工艺、可控成形加工、搅拌摩擦焊等制约金属基复合材料应用的关键技术瓶颈，从而打通了其工程应用的全链条难点。”
攻克制备技术瓶颈
在金属基复合材料大尺寸坯锭制备时，存在成分均匀性、界面反应等控制难、制备成本高、周期长的难题。针对这一难题，马宗义团队开创了低成本短流程粉末冶金制备技术，所制备的坯锭具有组织均匀、致密无缺陷、无有害界面产物的特点。
马宗义介绍道：“2017年，我们实现了最大3.4吨/锭的超大尺寸坯锭制备，超过美国公开报道的最大0.45吨/锭，并可将原材料成本和制备周期双减半，突破了复合材料规模化制备难题。”
据悉，团队制备的大尺寸坯锭，不仅解决了航天器关键有效载荷大型平台结构轻量化的急需，还突破传统材料难以兼顾轻质、高热导、低热膨胀以及承载性能的难题，支持了国家高分辨对地观测专项任务重点型号的研制。
“金属基复合材料中因添加脆性陶瓷等增强相，制约了金属的塑性流变能力，使其塑性成形能力极差，成为制约其应用的另一个关键因素。”马宗义指出，以往通过试错法进行工艺摸索，存在耗时耗力、适用性差等问题。近年来，高技术装备对零件结构提出多样化、大型化与快速响应的需求，以往金属基复合材料传统的工艺试错研究模式难以满足需求。
为此，马宗义团队基于自主研发的精确物理仿真、多尺度模拟新技术，攻克了复合材料成形加工中缺陷控制与组织性能调控难题，建立大变形比成型加工、中高陶瓷含量复合材料成型加工、异型材大挤压比成型等技术，并通过组织缺陷调控实现板材高效率轧制、自由锻件性能优化控制等。
“我们在国内率先研制出高性能金属基复合材料大尺寸、超大尺寸自由锻件与薄壁异型材等，批量应用于卫星与深空探测飞行器关键结构部件，替代了传统高强铝、钛等合金，使装备性能指标提升与轻量化设计得以实现。”马宗义说。
此外，由于金属与增强相的巨大物化性质差异，传统的熔焊技术难以使金属基复合材料获得高质量连接，焊缝中常产生颗粒偏析、缩孔或气孔、有害界面反应产物等。马宗义表示，新型的搅拌摩擦焊作为一种固相焊接技术，最有希望实现金属基复合材料高强度连接，然而面临着搅拌摩擦焊接工具受陶瓷颗粒磨损严重、材料流变性差等挑战，难以获得工业应用。
于是，团队自主发明了一种高耐磨、高韧性焊接工具，可在宽泛的工艺参数下施焊而不磨损或折断，突破以往难以实现的可靠连接和焊接工艺优化难题，由此实现了金属基复合材料的近等强焊接，工具寿命可满足工业生产需求。“我们通过中子衍射和多尺度模拟对焊接头残余应力实现精确模拟，为焊接工艺制定建立了全新的依据。”马宗义说。
研发产业基地建成
针对航天器承载结构的减重需求，马宗义团队研发出轻质、高强、高模、耐疲劳SiC/Al复合材料，替代高强铝合金或钛合金，减重达20%～40%，为遥感飞行器、深空探测器等关键型号供货千余件。针对电子封装和遥感光学仪器对轻量化、低膨胀热管理材料的需求，马宗义团队突破高陶瓷含量铝基复合材料的批量化制备加工、大尺寸厚截面零件制备技术，替代了钼铜、钛、因瓦合金，应用于多个系列的关键型号卫星。
马宗义告诉记者：“我们实现了乏燃料运输材料国产化，并在国内核电领域首次实现国产中子吸收复合材料供货，替代进口产品应用于我国多个自主研发设备的核设备。”
“目前，金属所已经建成了金属基复合材料研发与产业化基地，年产量近百吨，成为航天、核电等领域多家单位的主要供货单位。”马宗义还向记者透露，未来，金属所还将为金属基复合材料的革新换代积累基础，实现下一次工程化规模应用的突破。