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王强松 | 为特种铜合金寻找用武之地
来源：互联网
2024-11-12 00:19:20 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
铜，作为一种重要的工业金属，其优良的延展性、导电性和导热性使其在社会经济发展中占据了不可或缺的地位。中国有研科技集团有限公司教授级高级工程师王强松，长期以来一直专注于特种铜合金的应用及开发。2023年，他领衔的“超低温高强高韧及高阻尼特种功能材料研发”项目，被授予中国有色金属工业科学技术奖一等奖。而这一项目中，最为核心的就是“锰铜合金”。
▲王强松在做熔断片试验
从2010年起，王强松就带领团队持续就特种功能的锰铜合金进行系统的研究开发。十余年间，在国家自然科学基金、省科技厅基金项目、单位自主立项项目等支持下，他们开发出了超低温高韧及高阻尼性能的系列锰铜合金，并对材料的组织结构及性能机制进行了深入探索，成果已在兵器、航天等领域得到了应用。
“材料能用得上，这是我做科研的一个巨大驱动力，让我感到特别兴奋和自豪。”王强松诚恳地表示。对他而言，锰铜合金材料具有特殊的意义，这将是他进行大规模民用推广的重要材料，在铁路、桥梁等方面将产生广泛的应用前景。近年来，他忙于奔波，就是为此在与潜在用户积极沟通。“我一直在盯着民用推广这件事。”他说。
循序渐进，推进锰铜合金研究
随着航空、航天技术的发展，特别是大推力液氧煤油发动机和大风洞实验装置的应用，由于其应用环境的特殊要求（-183℃低温和富氧），对材料的低温综合力学性能、低温冲击韧性及材料在富氧条件下的稳定性等提出了更高的要求。王强松希望通过“超低温高强高韧及高阻尼特种功能材料研发”项目，在特种铜合金上取得进展，来应对这一局面。
用王强松的话来说，所谓“特种”，就是发挥材料的特殊功能性特征解决重大装备和型号的特殊性能需求。国外对超低温环境下耐磨铜合金材料的研究由来已久，美国就明确将铜镍合金作为超低温铜合金材料的发展方向，并已形成系列产品，应用在航天器上。“但这些技术对我们是封锁的，我们只能慢慢摸索。”
以超低温高韧材料为例，王强松团队成功研制了Cu-20Mn-X，并将其与复杂黄铜、锡青铜和铝青铜这3种传统耐磨铜合金材料进行了对比研究。结果证明：与传统铝青铜和铍铜材料相比，他们所开发的低温铜合金材料在-180℃环境下仍保持较高的韧性，同时还能保持其在富氧环境下的耐火花冲击性能。鉴于此，这项成果在航天液氧煤油火箭发动机上替代了原传统铝青铜材料部件；解决了相关部件密封卡滞及耐氧化能力不足的问题，提高了相应装备的运行可靠性，经推广后，可以间接产生经济效益40亿元。“但它只能在特定条件下用于重大装备，目前应用场景很少。阻尼合金材料就不同了，应用前景非常广泛。”
据王强松介绍，我国在高阻尼锰铜合金研究方面起步较晚，与国际先进水平相比，成分、种类均较少，阻尼性能有待提高，在合金耐腐蚀性能、力学性能等方面也有所欠缺。为此，他和团队通过添加镍、铝、铁、稀土等微量合金元素，提高合金的反铁磁转变及马氏体相变的相变点，进而使合金在室温下发生马氏体相变，获得高阻尼性能，所开发的Cu-50Mn-X合金是种具有优异阻尼性能的结构功能一体化合金，兼具耐腐蚀、强度、韧性等综合力学性能，在兵器、交通、铁路、精密仪器及航空领域具有广泛的应用前景。目前，这种材料已经在我国重要型号上获得应用，较好地满足了该领域对运行可靠稳定性的需求。
尤为重要的是，高阻尼锰铜合金不仅在国防相关领域获得应用，还凭借其优异的减震、降噪性能，在民用上有了更多可能。据统计，在机器制造业中，近80％的事故和设备的损坏是由共振造成。火箭、卫星失效分析表明，约2/3的故障与振动和噪声有关。“咱们正常理解的减震材料，一般是弹簧、橡胶及枕木等材料。所不同的是，锰铜阻尼合金是一种金属材料。”在王强松看来，高阻尼锰铜合金能够将机械动能通过材料的驰豫滑移而消耗掉，显著降低电子设备、仪器仪表、机械结构等在使用环境下的振动、扰动和噪声，保证设备装备的使用安全性，可应用在我国相关航空特种装备、无人机装备、路基发射装备等装有火工装置的产品上，降低产品上火工装置作用产生的高频冲击。由于它能够消除机械振动、保障仪器传导信号保真、精密仪器的稳定运行，在我国轨道交通、桥梁建设等领域前景辽阔。
“高阻尼锰铜合金材料的减震效果到底怎么样？举个例子来说，它是木头减震效果的7倍，当然，跟弹簧、橡胶没的比。但弹簧、橡胶也有其弊端。弹簧装置整体结构很复杂，占用空间大，而且还容易失效；橡胶的问题则是强度低，怕火，也怕风化；等等。所以，在稳定性和安全性上，高阻尼锰铜合金材料的优势还是很大。”王强松说。经过市场调研，他发现我国已经在桥梁项目中使用过高阻尼金属材料，但多为锌合金。与之相比，高阻尼锰铜合金材料的强度接近其两倍，延伸率也几乎要翻番，总体性能更优越，并且具有优异的耐腐蚀性能。但作为一个新材料，高阻尼锰铜合金的存在还未被更多人接纳。“一个新材料从出现到被用户认可，需要一段过程。”王强松淡定地表示，最近，在他的接洽下，桥梁阻尼器已经开始进行模拟实验。“要循序渐进，慢慢来。”
专注坚持，迎接铜的春天
王强松常常回忆起在基层企业工作的日子。1992年，他从北京科技大学毕业，被分配到河南舞阳钢铁公司，不久调任洛阳。“我在洛阳带钢厂待了将近10年，那是对我后来工程实践经验帮助最大的10年。”
洛阳带钢厂是一个“小厂”，最大的特点是缺人。王强松到岗后，成为这家小厂当时唯一的大学生技术员。从加热炉、炉排机、移钢机到短应力轧机等，他都一一涉猎。自己设计图纸、自己加工，同时负责协调安装……几年下来，王强松变得胆大心细、敢想敢干，这也成为他日后事业生涯中的珍贵品格。
▲阻尼降噪合金摩擦试验现场
2002年，走出小厂后，王强松加入洛阳有色金属加工设计研究院。在身边人看来，这是一个“金饭碗”，可王强松捧着捧着，就越发觉得要自我提升。为此，他在2005年重新考回北京科技大学材料加工专业，进行硕博连读，毕业后任职于北京有色金属研究总院。“这里的定位是以需求为牵引，以应用为目标，这与我原来的目标不谋而合。社会和行业的需求是什么，我要攻克的问题就是什么，做出来的成果能用得上，是我的终极目标。”
近5年来，王强松主持、承担和参与各类国家科技计划5项，并承担国防类项目十多项。攻关无坦途，王强松一步一个脚印往前走，一路行来，他总是对攻关历程轻描淡写，但有一个故事却令他难忘。2023年4月，他应邀参与一项重点型号的归零项目。“当时，项目关键部件原本采用的是国内外非常成熟的传统材料，项目进行到接近完工的时候，打样结果出现了问题。”王强松介入项目时，生产厂家已经“扑”在这些样品上四五个月了，依然一无所获。在专家论证会上，通过一些来自工艺加工的小环节，王强松发现其中存在异常，并提出项目归零的研究方案和建议。经过专家评审，生产厂家签署了技术合同，委托他进行归零研究。初期调研后，王强松发现了材料中的某个成分异常，其含量在ppm级（百万之一级），同时在国/军标体系中对此成分均无明确要求，它甚至不在验收范围内。怎么办？王强松还是决定进行排查。经过王强松团队不懈努力，最终通过高倍及扫描电镜等多种手段锁定了“始作俑者”，并明确了这一成分在此类材料体系中的最佳含量控制范围。
“如果已装配完成的产品混入不合格材料后全部报废，就是几个亿的损失。”厂家代表很是发愁，王强松也愁，他也想尽快把问题找出来。“我们在现场一直商量，突然灵感就来了。”说到这里，他语调轻松。这一次，他真的找对了方法，通过无损检测的方法，从纷繁复杂的产品中挑出了近四分之一不合格品，破坏性实验结果显示，通过无损检测方法检验的合格品成功率达到了100%，测量出的结果与实际情况完全相符。而这一发现，不仅为生产厂家挽回了两亿多元的经济损失，还使得相应验收标准得以修正，为后续产品特别是同行业的质量控制提供了依据，意义重大。
在王强松眼里，这是他“最得意”的事。“找到原因，是我们专业积累充分的结果，但是在实物上挑出问题所在，将损失降到最低，才真正令我胸怀激荡，特别有成就感。”他认为，科研人员的职责，第一是立足重大装备型号的需求，解决难点、拐点、痛点问题；第二则是既要在行业中发出自己的声音，也要积极参与解决重大投入项目中的共性问题。“从研究上说，我们与国外并无太大分别，真正的差距往往表现在生产工艺过程中的质量管理控制环节，是否严格规范，帮助企业规避这些缺陷。”
这种理念，也影响了王强松培养年轻人的方式。在他的指导下，进入团队的在读硕博生都要直接参与到项目中去。“我会帮每个人制定好他们的方向，他们不仅要做好自己的工作，还要在需要团队合作的时候投入进去。”王强松给予学生肆意生长的空间，放手让他们做自己想做的事，不用担心实验经费。“我不希望他们眼高手低，不要看眼前利益，随着别人一哄而上；而是要有洞察力，不是大而全地盲目去干，要学会对整个科研平台资源合理调配利用。当然，论文数据要真实，我们做材料研究，不能只是为了获奖和写论文，还是要做实事，最终让成果能用得上。”
王强松多次强调“用得上”，这已经成为他的坚定信念。多年来，他始终走在少有人走的路上，用他独特的方式去为产学研用作贡献。他不介意给自己贴标签，并用坚持和专注来形容做事风格。“自认为很有兴趣的事，我就会坚持去做。专注于用户需求，把事情做成，让用户认可，这对我来说最重要，别的都无所谓。”
日前，王强松应邀在清华大学公共管理学院培训班上作报告，他讲述了自己对“铜”的信心。“特种铜合金领域，国内外消息是不畅通的。我国对铜的需求很大，但在高端核心技术上还是存在壁垒，譬如我认为未来的重点在于压延铜箔和高端板带。但要如何才能拓展特种铜合金应用及开发，只能靠我们与用户充分沟通。”他笑着说，“挑战很大，但从另一个角度看，未来几年，铜的春天也要到了。”
专家简介
王强松，中国有研科技集团有限公司教授级高级工程师、博士研究生导师。任中国有色金属学会合金加工学术委员会委员、中南大学和北京工业大学兼职导师，华北理工大学外聘教授、河南科技大学外聘教授、河南省科学院外聘研究员。1992年毕业于北京科技大学铸造专业，获工学学士学位；1992—2005年先后就职于舞阳钢铁公司、洛阳市带钢厂、洛阳有色金属加工设计研究院，历任工程师、高级工程师；2005—2010年就读北京科技大学材料加工专业，获工学博士学位。
主要从事先进铜及铜合金材料的设计制备、成型工艺等领域的基础与应用技术研究。近5年主持、承担和参与各类国家科技计划5项，并承担国防类项目十多项，部分研究成果已在我国兵器、航天、舰船等重大装备及型号上获得应用；已发表相关学术论文20余篇，编写铜合金材料领域专著1项，申请国家发明专利20多项；作为第一完成人获得省部级科技进步奖一等奖2项，作为主要参与人获得中国兵器装备集团科技进步奖一等奖1项、国防科工委科技进步奖二等奖1项。
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