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西北有色院给力国家战略服务创新发展

【铝道】今年8月，国务院印发《 十三五 国家科技创新规划》面向2030年 深度 布局，一系列重大项目与国家科技重大专项远近结合、梯次接续。不管是研制重型运载火箭、建立空间站，还是研制全海深潜水器、建立深海空间站，或者是深地资源探测以及智能制造和机器人的研发，都少不了一个重要的基础保障 先进材料。

多年来，在我国科技创新 深度 发展中，西北有色金属研究院凭借在稀有金属材料领域的科研优势，多次打破国际垄断，创造了该领域多个国内 ，为我国新型战机、新型航空发动机、大飞机、神舟飞船、嫦娥工程、海洋工程等重点任务研发提供了材料基础。今年以来，西北有色院紧抓 一院一所模式 复制推广的机遇，加大布局新材料领域战略前沿，抢占市场制高点。随着国家面向2030年科技创新规划 深度 布局的实施，西北有色院将进一步给力国家战略、服务创新发展，为我国 深空、深海、深地、深蓝 战略提供材料基础。

稀有金属助力 深空 飞天梦

钛及稀有金属材料是航空航天产业不可或缺的结构材料，具有重要的战略意义。钛用量的高低决定了一个国家战机的水平，也是衡量一个国家装备制造业水平的重要指标。西北院是我国重要的钛及钛合金材料研发、加工、生产基地，承担的钛及钛合金科研项目占我国有关钛的项目总数的60%以上，研制的钛合金涵盖了高强、耐热、低温、耐蚀、高韧、损伤容限、阻燃、医用等系列100多种，其中创新研制的钛合金30多种，突破了多项关键技术，成功开发出一系列满足重点型号飞机研制要求的关键钛合金材料，生产的一系列钛合金板材、锻件已成功应用于神舟号飞船、大型火箭和先进导弹、飞机、舰船等高科技领域，为我国航空航天事业发展提供了有力支撑。

其中，具有自主知识产权的高强及中强损伤容限型钛合金及棒材和铆钉专用钛合金丝材，打破了发达国家的垄断和禁运，开拓创新，已于2011年初在新型战机上装机首飞；针对新型战机长寿命设计需求，研制出了新型战机用钛合金及大规格棒材等急需的关键钛合金材料，保障了新型战机的研制。针对我国大型发动机的研制需求，西北院研制出大型航空发动机用特种钛合金棒材，保障了我国大型发动机的研制进度。同时，突破了高温600℃钛合金和阻燃钛合金熔炼、棒材锻造等方面技术瓶颈，打通工艺技术路线，开发出高温钛合金和阻燃钛合金及其大规格棒材，为我国大推比航空发动机的研制奠定了材料基础。

当前，金属3D打印成为制造飞保持清洁机机翼和各种航空零部件的重要趋势，金属材料是首先需要解决的问题。其中，由于稀有金属的特殊特性，稀有金属3D打印粉末制备与技术成为该领域的重要难点，世界各国都在加快研发积极突破。西北院是我国较早从事3D打印专用金属粉末和电子束粉床3D打印技术研究的单位之一，也是我国球形钛合金粉末制备技术与装备的源头单位，已成为国家增材制造创新中心的骨干单位。

早在上世纪八十年代，西北院就开发了我国靠前台等离子旋转电极雾化制粉装备，为我国激光送粉3D打印技术的发展提供了原料支撑。2007年，西北院与清华大学合作研制了我国靠前台钛合金电子束粉床3D打印装备，并在充分消化吸收国外装备技术的基础上，自主设计开发了第二代开源式电子束粉床3D打印装备，主要性能参数达到国际先进水平，并成功实现产业化。近年来，围绕3D打印技术对超细球形粉末的重大需求，不仅开发了新一代等离子旋转电极雾化制粉装备，还针对粉床3D打印技术发展需求，开展了气雾化制粉技术的研究，形成了年产20吨超细球形钛合金粉末的生产能力。突破了电子束粉床3D打印钛合金关键工艺技术，制备的多种钛合金力学性能达到锻件水平，并针对航空航天工程应用需求，开发了热等静压后处理工艺，大幅提升了材料的稳定性。

在各项技术及设备不断取得突破的基础上，西北院不断完善稀有金属3D打印领域的产业链，电子束粉床3D150万吨打印应用技术成功应用到国家战略中的同时，也推广到国民经济各个领域。围绕航空航天和生物医疗领域的需求，成功开发了上百种复杂钛合金构件，并在3D打印多孔格类金属构件方面形成了特色。其中，研制的空间飞行器用轨控集合块，首次参加系统试车便取得圆满成功；研制的航空发动机用新型油气分离器，通过了航空发动机设计单位的地面考核，表现出比传统油气分离器更佳的综合性能；研制的新型战机用隐身格栅和尾锥已经实现批量供货。

在保障国家战略需要的同时，西北院也积极拓展民用市场，服务国民经济发展。钛/钢爆炸复合材料较早是为我国卫星及2348工程聚脂氧化塔配套的材料，它的研制成功对改善和提高部队着装条件作出了贡献。近年来，西北院利用该项目技术成功开发出用于军用、民用飞机外蒙皮的层状复合材料，有效减轻了飞机的重量，提高了飞机外壳的耐蚀性能。

随着国家 大飞机 计划、新型战机、嫦娥工程、空间站计划的持续推进，我国航空航天事业发展对新型材料的研发制备提出了更加苛刻的要求。西北院积极参与国家重大工程和战略任务，并通过国际合作加大高(3)车企复合材料零部件设计与材料性能、生产工艺结合协作能力薄弱端产品研制力度。西北院与俄罗斯电机械公司合作，引进先进技术与装备，解决高推重比发动机制造领域高温合金球形粉末及粉末涡轮盘制备技术及其应用的技术难点，满足我国近年来航空航天产业快速发展的需求。

高端应用贡献 深海 强国战略

钛合金的优异特性被认为是一种天生的海洋工程结构材料。由于海水中有较高的氧化物、硫化物含量，以及水压对工程构件的强大压力作用，因而对海洋工程材料提出耐腐蚀、高比强度、高比韧性和良好的加工性的苛刻要求。而西北院利用自身的材料研发优势较早地开展了在海洋工程领域的探索与研究。

加快发展海水淡化利用产业，是我国海洋强国的重要组成部分。在这一领域，西北院走在了全国前列。2012年，西北院成为海洋工程重大治沟项目的首批重大装备组成员单位，开始做预研项目和产品制造。截至目前，西北院已经完成了750吨、250吨海水淡化处理项目，实现了核心段管路、管件、标准件等关键装备的全钛化。在此基础上，西北院还建立了管路核心部件强度实验装置，用来检验材料应用效果，为钛材料应用提供保障，推动建立国家标准。

瞄准海洋工程需求，西北院开发了多种钛合金海洋结构设备，如大深度深潜器耐压壳体及框架、海水介质的换热器、高温海水介质的盐水泵、各种管道、阀门、石油勘探器具等。其中，通海管路系统已经为过滤装置地作为机械行业中质量控制的1个关键环节面验证试验提供了多规格400余种产品的地面验证试验。

2013年，西北院积极响应党的十八大提出的海洋强国战略部署，在名誉院长周廉院士的推动下，通过与海洋石油开采、海水淡化、舰船等部门的交叉合作，积极主导参与了全钛海水淡化蒸发器、全钛舰船海水管路系统等示范工程，在深海空间站、深潜器、海洋能源开发等领域做了大量基础和工程化工作。

在海洋上，电力来源是个难点。西北院开发了1000瓦的海洋风力发电设备，采用新方法提高了发电效率，并且解决了大型风力设备制造安装运输困难的难题。目前，1000瓦设备已经即将投入使用，3000瓦、5000瓦的大功率设备正在抓紧研发。

与此同时，西北院研发的用于新一代舰船的钛合金管注系统，已经为地面验证完成三批供货；面对深海空间站项目，开发的耐压壳体材料也取得重要突破。今年6月，西北院联合国内数十家单位发起成立了 中国海洋材料产业创新技术联盟 ，共同推进我国海洋材料产业技术创新。在海洋强国梦中，西北院将再次贡献重要力量！

自主创新加速 深地 能源聚变

我国能源需求增长快速，核电能源是清洁高效、发展前景广阔的优良能源，而西北院正是国内开展核电站用锆材研究的主力单位，较早地为锆合金材料的工业化生产进行技术储备，并成功地为国内自行设计的靠前座核电站 秦山核电站提供了材料支持。

近些年，在我国核电 自主化 和核电 走出去 的重大战略中，西北院更是凭借多年的技术积淀，为推动我国核电关键材料自主化发挥了重要作用，被誉为 中国芯 的制造者。

在核电领域中，锆是第三代反应堆不可替代的材料。锆合金作为包壳材料是保障核电安全的重要材料，和金属铀一样，是重要的战略原料，受到发达国家的技术封锁。同时，锆合金材料工艺复杂，其加工水平代表了国家金属材料的加工水平，是国家综合实力的体现。

西北院依托半个多世纪持续不断对锆合金研发累积的成果，围绕我国核电自主化和核电走出去的目标，实现了锆合金和成套工艺的自主化，建成国内锆合金包壳材料完全自主建设的生产线，达到世界先进水平。明年3月，将进入产业化阶段，预计 十三五 末将实现商业供货。

控制棒是调节核反应堆反应速度的关键部件。长期以来，我国控制棒堆芯关键材料依赖进口，严重制约了自主核电技术的发展。2014年，西北院生产的国产银合金控制棒，成功应用于阳江核电站一号机组，实现正常发电，标志国产银合金控制棒正式得到应用。2015年，建成国内首条三代核电堆芯关键部件银合金控制棒生产线，具备系列核电用银合金控制棒产业化生产能力。截至2016年6月底，西北院已给国内外25座核电机组交付银合金控制棒近3万支，产值超过4亿元。

与此同时，西北院不断增强核级产品的配套能力，开发了核电用不锈钢及镍基合金等产品，负责完成了中核集团2020 龙腾计划 子课题 华龙一号 用不锈钢及镍基合金的研制，同时完成了中电投集团AP1000核电用不锈钢及镍基合金的研制及样品的生产。

十三五 期间，预计国内将新建超过20台核电机组，银合金控制棒的需求量将超过6万支，不锈钢及镍基合金的需求将超过100吨。预计2020年到2030年我国还将建超过50台核电机组。西北院将不断增强核级产品的配套能力，加快研发，推动核电反应堆堆芯关键设备和材料完全国有化。

此外，除了高性能锆合金的研究，研究院还在超导材料研制方面获得突破，为国际热核聚变项目 人造太阳 工程提供关键材料，也积极联合其他单位，为国内的 人造太阳 用超导材料需求开展攻关保障。

超导是20世纪较重大的科学发现之一，指的是某些材料在温度降低到某一临界温度电阻突然消失的现象，具备这种特性的材料被称为超导体。超导材料在电力能源、高端医疗设备、轨道交通、大科学工程、军工等领域有着广泛的应用前景。西北院 超导材料制备国家工程实验室 是我国同时开展低温和高温两类超导材料研发并实现产业化的单位，率先攻克了高均匀铌钛合金熔炼和高临界电流密度线材制备技术难关，被国际超导界誉为 开创了高临界电流密度和铌钛超导体研究的新纪元 。西北院也是国内实现低温超导线材商业化生产的单位，是目前国际上的低温超导铌钛锭棒及线材全流程生产单位，并成为国际热核聚变实验堆项目国内供货商。今年一季度，为国际热核聚台锯变实验堆项目提供的价值6亿元的铌钛线材和铌三锡线材已全部供货。

高温超导自上世纪80年代发现以来，一直是国际材料领域研究的热点。西北院在与国际同步开展高温超导材料制备及应用研究，目前也取得多项突破。基于超导材料的制备技术 集束拉拔技术 ，研制出脉冲磁体用 高强高导铜基复合材料 ，并制作出高磁场脉冲磁体，实现了批量化制备。该技术已成功应用于我国强磁场实验室的脉冲磁体制造，采用该线材绕制的脉冲磁体，较高场达到90特斯拉，居亚洲靠前、世界第三。2007年，西北院瞄准加速器、聚变堆用磁体等高磁场系统应用的铋系高温超导线材开始研究，去年取得较大进展，实现了小批量制备百米级线材，性能达到国际先进水平。今年年初，西北院和中科院等离子体所合作，制作出聚变堆用高温超导导体，为我国下一代聚变工程堆设计和开发奠定了良好的材料基础。

供给侧改革抢占 深蓝 先机

立足国家战略，研制关键材料同时，研究院也积极开展 供给侧 改革，加强高端产品研制，拓展新领域，布局新产业，在助推节能环保、健康医疗、生物医用材料等领域进行升级改造，为绿色生活提供更多的材料支撑。

盛夏的一个午后，在西北院磁体制作车间，我输液泵们目睹了研究人员制作 磁体 的过程：长达数千米比头发丝还细的超导线材需要仔细缠绕成 磁笼 ，强大的磁场就在这个 磁笼 中间产生。现场科研人员介绍， 磁体 制备工艺复杂，全世界只有两家单位可以生产，西北院就是其中之一。

二硼化镁被称为超导材料领域较耀眼的 新星 。在国家863、973项目的支持下，西北有色院实现了千米量级二硼化镁超导线材的小批量制备，成为国内一家在世界上能制备千米量级二硼化镁超导线材的单位之一。目前，该项目瞄准直接制冷的核磁共振成像仪系统正在积极推动产业化，预计 十三五 期间可实现转化。在此基础上，西北院进一步拓展在超导领域全产业链加工生产优势，通过开展国际合作，突破了磁体制备技术，实现了大尺寸单晶硅用超导磁体产业化、磁共振成像仪用超导线材的批量生产，并不断拓展超导磁体在重离子、质子加速器肿瘤治疗、舰船综合电力系统、污水处理等新领域的应用。

西北院在生物材料和细径金属管材和超细丝材加工技术、医疗器械开发及精密成型技术、表面改性技术研究、医用金属材料生物力学及微观组织调控、特种加工技术等领域取得了多项突破，开发了一系列国内领先、达到国际先进水平的稀有金属生物材料。开发出了新型血管支架、牙种植体、人湘乡工髋关节、颅颌面骨修复板、髓内钉、脊柱后路内固定系统、接骨板和各种医用螺钉等8大类医疗器械产品。

目前，齿科用纯钛材已于2015年11月拿到了首张医疗器械注册证书即 齿科用纯钛 ，其余的齿科用合金，已经通过了北京大学口腔医院医疗器械检测中心、四川省医疗器械检测中心的形式检测和生物安全性评价，相关技术评价资料已提交省药监局技术评审中心，药监局已通知无需再提交相应的补充资料，待审批发证。

此外，西北院通过与国内医疗器械单位的联合，开发了髋臼杯、脊椎融合器等新型骨植入体，目前已在国内5家医院开展了120例临床评价试验，已有近200个3D打印骨科植入物，成功植入人体。

除了健康医疗、生物医用材料，在节能环保领域，西北院也大展身手，助推绿色生活。

金属多孔材料由于其特殊的物理和结构性能，被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑工程、节能环保等领域。西北院依托金属多孔材料国家重点实验室，成为国内较早从事不锈钢纤维毡的研究开发单位，实现了金属纤维及制品产业化的目标，并建成全国较大的金属纤维及其制品的生产基地。近年来，西北院不断拓展金属多孔材料在节能环保领域的应用，在高温烟气除尘、大气污染固体颗粒治理、柴油车尾气净化、煤化工精密过滤、水处理等节能环保方向，突破了金属多孔材料的应用难点，生产出的金属纤维制品、金属复合膜多孔材料及元件，以及成套的节能环保设备，在钢铁冶金、能源、交通等领域成功应用，预计 十三五 期间将实现大规模应用。

8月11日，西北院 火力发电厂锅炉尾气用金属滤袋及除尘器生产线技术改造项目 正式开工建设。此次改造将突破低成本高产能金属纤维的关键技术，大幅降低金属纤维毡的生产成本，实现金属滤袋的推广应用，形成金属滤袋及除尘器的批量生产能力。该项目的实施标志着西北院在金属纤维、金属纤维毡的研究、开发及生产方面处于国内同行业中领先地位，将在国际行业中产生较大影响力。

在高性能膜材料领域，西北院开展了大规格异型多孔材料、高性能膜材料及新型过滤设备开发和生产。目前，已完成金属膜复合滤芯及碳化硅陶瓷膜复合滤芯生产线建设，达到批量化生产水平，产品综合性能超过国外进口产品，价格比国外产品降低一半；其生产的公共直饮水设备，采用全物理过滤方式，可完全去除自来水中各种对人体有害的物质，该产品已实现中试。随着这一系列节能环保新产品、设备的大规模应用，西北院将助推全省乃至全国节能环保产业再升级。

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