科学家心声:首钢北冶是为国家关键材料的研究生产而生，经历60多年的风风雨雨不改初心，形成了以服务于国家重大工程需求、服务国家重大装备、实现进口替代解决"卡脖子"材料为宗旨的材料研究、生产的企业文化。正是在这个富有崇高理想的平台上，我伴随着企业的发展壮大而成长，在高温合金等材料研发方面做出了一些成绩。被评为首届首钢二级科学家，体现了集团党委对科技工作者的关怀，更是鞭策我在未来的征程中更加努力学习、努力工作，为首钢科技腾飞、高质量发展再立新功。

带着对解决国家重大装备、急需的关键材料的满腔热爱，带着对中国航空、航天事业的使命和责任，从一名青涩的硕士研究生成长为首钢特殊金属材料技术专家。他扎根首钢北冶30余年，另辟蹊径走出了一条创新之路，取得了一系列具有自主知识产权的原创性成果，在"嫦娥探月""两机专项"等国家重大工程材料研究方面作出了突出贡献，他就是首钢二级科学家、北冶公司材料研究所所长李振瑞。

李振瑞1988年于北京科技大学硕士研究生毕业后，分配到了北京冶金研究所，从此就在北冶扎下了根，34年来，始终工作在高温合金研究生产第一线。他勤勤恳恳工作，努力学习高温合金材料知识，并应用到实际中去，把个人的成长与国家的需要、公司的发展结合起来，他负责和参与了多项国家"863"和民生配套等重大工程材料研究项目，解决了重点材料的"卡脖子"问题，取得卓越业绩。

首次尝试航空发动机高温母合金国产化

上世纪九十年代，从国外引进了某型号发动机作为我国某重点航空型号用发动机。随之而来的是材料的国产化研究，其中关键的是叶片等热端部件用K423、K130、K242、K163铸造高温母合金的国产化。尤其是K423母合金，在当时是成分要求最多的合金之一，控制元素多达30余种。此类产品持久性能不但要求高水平，还要求稳定性好、波动性小，技术规范第一次提出了合金组织、性能稳定性要求，用来表征合金组织、性能稳定性的关键参数是电子空位数，因此在材料标准中明确规定了电子空位数的临界值要求。虽然资料上能查到电子空位数的普通计算方法，经过大量计算发现用通用的电子空位数计算方法得到的结果无法满足K423母合金的要求。研究发现每一个合金由于成分不同，都有其各自计算的特点，不同合金计算公式的系数是不同的，李振瑞大量查阅高温合金资料，刻苦钻研学习，最终找到了电子空位数计算的原理。影响合金组织、性能稳定性的关键是零部件在高温服役环境下是否析出TCP等有害相，TCP相是多种元素偏聚形成的大原子团，这种原子团非常硬，不易协调变形，是零部件产生缺陷、裂纹进而失效的重要原因。而形成TCP相的关键因素是合金剩余固溶体的电子因素，即合金的电子空位数。当合金的电子空位数小于某一临界值时，合金在服役过程中就不会产生TCP相，反之就很可能产生TCP相危害零部件的寿命。电子空位数标准是一个半经验半理论的计算方法，也就解释了为什么不同合金的电子空位数计算公式的系数是不同的道理。李振瑞根据这些知识，经过大量的计算验证，结合K423成分的特点确定了合金电子空位数计算公式的系数，得到了专家的认可。用该公式优化了合金的成分设计，一次成功制备出了某型号发动机所需的K423合金，并顺利通过各种试验，成功用于某型号发动机，至今已交付航空发动机制造厂该合金上百吨。同时，他还把合金电子空位数计算成功推广到其它合金的成分优化和设计上，取得了很好的效果。

参与国家"863"计划解决多项"卡脖子"材料

国家高技术研究发展计划（863计划）"铸造高温合金制备技术和应用研究"项目也是一个挑战和学习的机会。

作为项目主要参加人的李振瑞说，团队由首钢、中科院沈阳金属所、西北工业大学、航空材料研究院、北京科技大学和北冶公司组成，包括了国内很多顶级的高温合金研究人员。该项目的目的是研究航空发动机、燃气轮机使用的高强单晶合金、抗热腐蚀定向合金优化设计及其叶片的制备技术。无论哪种合金，都是组元复杂、强韧化机制多样、合金性能与工艺关联非常复杂的先进结构材料，其成分设计是一个复杂的系统工程。为此，研发团队对各种合金元素的作用和机制、合金的凝固行为、合金相结构及稳定性、有害相形成机理及控制，尤其是各因素的交互影响等相关规律进行了大量研究，突破了抗热腐蚀定向、单晶高温合金及第三代高强单晶高温合金成分设计与优化、热处理、定向凝固工艺等关键技术，研制出了三种高温合金，缩小了我国单晶和定向柱晶高温合金材料及其制备技术与国外发达国家的差距。在研究试验、讨论过程中，不但圆满完成了项目的所有研究任务，也提升了北冶团队高温合金研发的水平，为进一步研发先进高温合金奠定了基础。

GH605合金是用途非常广的变形钴基高温合金，也是我国某先进航空发动机重要材料，因而也是国外限制出口中国的合金之一。李振瑞介绍，GH605既需要丝材、棒材，也需要带材。由于GH605合金的W、Cr含量高的特点，加工硬化速率非常高，最大冷变形量不能超过百分之四十，加工难度大。李振瑞亲自进行热处理试验，对不同的冷加工变形量、热处理温度、热处理时间的试样进行试验，分析其性能变化规律，观察组织变化规律，终于找到了合理的热处理制度。亲自进行冷加工变形量的试验，找到了冷加工的优化变形量。经过两年的研究实验，成功制备出GH605合金带材，全部性能达到标准要求，部分性能超过国外同类材料的水平，填补了国内空白，从而保证了该型发动机的研制和批产。同时GH605合金带材也推广应用到多个新型号发动机上，至今北冶公司仍是我国重要的生产该材料的单位。

提升航空发动机性能，发动机功率的增大、耗油率的降低是一个关键指标。在不改变发动机主要结构的前提下，减少二次气流的泄漏量就能实现这个目标。为此欧美先进国家制定了专项计划，都把刷式密封技术、蜂窝密封技术作为重点研发内容，研究成果已成功应用于发动机生产，显著提升了发动机水平。制备刷式密封件的关键是制备出耐高温、耐磨损和抗氧化的极细高温合金丝材。已有的高温合金对这些方面的研究很少，没有合适的高温合金牌号能同时满足这些要求。为此，李振瑞带领团队基于这些特殊要求首先优化了合金成分，与团队成员一起确定了在钴基高温合金中添加Al、Y的技术方案，在保持钴基高温合金优良性能的前提下，形成更耐磨、抗氧化性性能优良并与基体结合牢固的氧化膜，以实现材料的优良综合性能，首创了GH605S合金牌号，入选中国高温合金手册。发动机不同部位的温度差异很大，只有一种刷密封材料显然不能满足整个发动机的整体需求。在调研大量国内外资料的基础上，结合发动机不同部位的需求特点和高温合金成分设计原理，李振瑞带领团队成员，经过十多年的研究试验，在国外严密封锁技术的情况下，克服材料成分设计、材料成型和材料性能要求高的难题，首创了以首钢命名的满足不同温度要求的SG37A、SG37B刷丝合金，在我国首次研制成功了适用不同发动机、不同部位的制造刷丝密封的系列刷丝材料GH605S、SG37A、SG37B，成为我国唯一能生产航空发动机刷丝材料的企业。该材料研发打破了国外技术封锁，解决了我国航空发动机该类材料受制于人的问题。

蜂窝密封件的关键是高温合金箔材的制备，箔材厚度在0.05mm，甚至更薄。高温合金的特点是合金化程度高、加工工艺窗口窄、成型困难。加之组织、性能要求严，高温合金带箔材长期受制于人，困扰我国航空发动机自主研制30余年。为此，李振瑞带领团队成员对变形高温合金中C、Cr、Mo等元素对合金组织性能、加工性能的作用规律进行了研究，掌握了高合金带箔材的制备技术，研制成功的0.05mmGH536箔材性能全面超过了国外实物的性能水平，填补了国内空白，解决了"卡脖子"问题。北冶公司也成为国内唯一可生产GH536、GH605、GH5188等高温合金带箔材的厂家，成功装备于我国多个型号现役发动机上，实现了重点型号关键部件材料的自主可控，被市科委认定为"北京市新技术产品"。

核电装置"C环"国产化填补国内空白

C型密封环是核反应堆压力容器至关重要的密封部件，其可靠性直接关系到核反应堆的安全，肩负着核反应堆不泄漏、不失压的重大责任，因其对材料质量要求十分苛刻，长期以来一直依靠进口，价格昂贵。C型密封环被称为核电行业静密封王冠上的明珠，2018年以前仅有法国、美国等少数发达国家能够生产。李振瑞带领团队仔细分析了C型密封环的使用特点和技术要求，转化为对材料的具体要求，认为制备C型密封环的关键在于所用材料GH600、GH4145的性能一致性、组织的稳定性和合金的纯净度，制定了详细的研制计划和方案。经过大量试验和改进，掌握了超高纯净电渣冶炼、高均质化组织控制和丝材无损检测等多项关键技术，突破多项技术指标，创造了5类夹杂物接近零级的纪录。研制的高性能GH600、GH4145合金已成功用于C型密封环的制造，达到了国外同类产品先进水平，彻底打破了国外长达半个世纪的垄断，填补了国内空白，成功应用于我国最大核电项目——阳江核电站。

成功研制"两机"重大专项材料

航空发动机及重型燃气轮机代表着一个国家制造业的整体水平，是世界公认的制造强国的重要标志，是"中国制造2025"重点突破和发展的大国重器，被列在我国"十三五"发展规划中要实施的100项重点任务之首。"两机"重大专项启动以来，作为国内重要的特种金属材料研发生产基地的首钢北冶公司，积极参与基础研究、重要材料研制、产业体系建设等多项研制工作。

2018年，北冶公司承接了国家"两机专项"国家重大课题"300MW级F级重型燃气轮机透平一级静叶片材料研制"，其目的就是研究出达到国际先进水平的一级静叶片材料，以保证我国F级重型燃气轮机的研制。我国高温合金与先进国家高温合金质量的差距主要体现在三个方面：一是合金纯净度不高；二是有害痕量元素控制种类少；三是合金批次稳定性、一致性不够，给装备的可靠性、稳定性带来了很多隐患。通过常规手段和现有技术不能达到材料的指标要求，同时项目要求在半年内制造出成分性能合格的产品，时间紧、任务急。李振瑞介绍，经过仔细分析、调研对比国外资料，确定了该课题的关键所在，就是如何提高合金的纯净度，从而在优化成分和工艺的基础上提高合金的综合性能。衡量合金纯净度的重要指标是O、N、S的含量，国外合金O、N、S含量之和已达到10PPM以下，GE标准对多达45种有害痕量元素进行控制，45种有害痕量元素之和要求小于400PPM，而我国高温合金多沿用前苏联标准体系，只控制5种有害元素。为此，对所有原材料进行了45种有害痕量元素分析，并对每一种元素在冶炼过程中不同工艺条件下的变化规律进行研究。研究发现Pb、Ag等元素可以通过真空高温蒸发去除，Sn、Bi等元素在冶炼过程中很稳定，只能通过原材料的选择、预处理进行去除。找到问题关键所在后，把提高合金纯净度问题聚焦为O、N、S元素和有害痕量元素的去除。组织项目组多次讨论和评估，试验了多种工艺条件下有害元素的去除规律。在试验总结的基础上，制定了详细的计划和工艺制度，经过多次实验调整，终于用五个半月的时间提前完成项目要求，制备出了达到要求的高纯净度K6414母合金。该项目取得重大突破，解决了大型燃气轮机透平一级叶片氧氮硫高的关键问题，为我国自主研发的一级叶片性能的提高迈出重要一步。2018年12月25日，在工信部和中国联合重型燃气轮机技术有限公司的组织下，进行300MW级F级重型燃气轮机透平第一级静叶铸件首件鉴定评审会，专家对北冶公司母合金制备技术、技术方案和产品稳定性给予高度评价，一致认为北冶公司对母合金气体含量和痕量元素的控制水平已经达到国际先进水平，顺利通过了首件鉴定。此次透平一级叶片铸件首件顺利通过鉴定，标志着我国迈出了突破国外热端核心部件技术封锁、实现重型燃机自主化发展的坚实一步。

利用在研制透平一级叶片材料过程中积累的经验和创新技术，还成功研制了重型燃机用其它高温合金材料，对每一牌号合金都建立了满足痕量元素控制要求、满足纯净度要求和保证合金一致性的冶炼规范，制定了相应的企业标准，实现了超纯净高温母合金工业化稳定批量生产。O、N、S含量之和进一步下降，稳定控制在7PPM以下，45种有害痕量元素之和控制在30PPM以下，远远超过了GE标准的要求，达到了国际先进水平。

李振瑞在铸造高温合金纯净度技术研究，高温合金丝、带、箔材产品研发方面作出了突出贡献，先后被授予"北京市劳动模范"，首钢"优秀共产党员""模范共产党员"称号，获得北京市科学技术进步二等奖1项、中国冶金行业科学技术三等奖1项，首钢科技奖4项。在研发过程中申请发明专利46项，已授权13项。工作室被评为海淀区劳模创新工作室。

星火传承培养一批批优秀人才

为了抓住机遇更好地为服务国家重大工程，2019年北冶公司与中国重型燃气轮机公司成立联合实验室，从人才培养、科学研究和材料研发各个方面进行深度融合，李振瑞被任命为联合实验室主任，负责联合实验室的筹备、建设和运行。他带领青年科技工作者团队开展了大量的基础工作，在北冶公司各部门的大力支持下，2020年联合市实验室正式建成开始运行。目前承担了15项包括两机专项在内的与重型燃机材料、表面工程有关的课题研究，取得了很大成绩，获得了重燃公司的高度肯定。热障涂层的技术水平达到了世界先进水平，在燃烧室上采用激光打孔技术的探索研究处于国内领先，上级部门已计划2022年正式立项进行专项研究，痕量元素分析和其它分析测试设备即将到位，有望建成中国重型燃机材料的测试评价中心、新材料研发中心。

由于多年来的工作成绩和科研成果，李振瑞先后担任北京金属学会学术工作委员会委员；中国腐蚀与防护学会耐蚀金属材料专业委员会第七、八届委员会委员；北京科学技术情报学会常务理事；2018年被国家重型燃气轮机材料研发及产业联盟聘为第一届专家委员会委员。

李振瑞不但自己刻苦钻研学习，勤学苦干，先后两次被北京市总工会授予"经济技术创新标兵"称号，还发挥共产党员先进模范带头作用，团结带领材料研究所员工努力奋斗，先后2次获得北京北冶功能材料有限公司优秀管理者称号，海淀区职工技术协会"师带徒"活动优秀师傅称号。团队成员入选中国科协、北京科协青年人才托举工程各1人，获"海淀区创新标兵"荣誉称号1人，获首钢集团"首钢之星"荣誉称号2人，获海淀区"三八红旗手"荣誉称号2人，入选国家外国专家局、工业和信息化部组织的赴德"金属材料及轻量化材料开发与应用"培训班1人，获公司"优秀青年员工"和"优秀员工"荣誉称号3人，打造了一支能打胜仗的团队，材料研究所2019年被人力资源和社会保障部、中国钢铁工业协会授予全国钢铁工业先进集体。

首钢人的初心就是研制出更多高质量的先进材料报效祖国。李振瑞表示，只要有咬定青山不放松的精神，牢记首钢人的使命，在科技创新的征途中默默耕耘，就一定能为首钢的辉煌增光添彩。

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