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立志“材料报国”,他要解决合金粉末诸多“卡脖子”难题

编译者:冯瑞华发布时间:2020-5-15点击量:90 来源栏目:产业动态

于军师从我国著名金属材料及先进陶瓷专家葛昌纯院士,2014年成为南阳裕泰隆粉体材料有限公司(以下简称“裕泰隆”)的掌舵人,并用5年时间将其带进国内合金粉末规模化生产第一梯队。

成功的企业家面对采访可以有多种反应,而于军给人的印象和感觉,则是低调和儒雅。

在接受《大国之材》采访时,于军思路清晰,语速平缓,即使谈到志得意满的内容,情绪也没有太多波动,他的言谈举止很像一位学养深厚的大学教授。不过,谈到“材料报国”时,于军的语调显然高了不少。

粉末冶金正逐渐成为支撑一个国家高端制造的上游核心技术,合金粉末是基石。

但是目前,我国合金粉末产品品种依然不足,中低端产品产能过剩和高端、高品位金属粉末依赖进口的矛盾日渐突出。尤其是粉末高温合金和粉末高速钢,目前应用于现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰船和工业燃气轮机的关键热端部件材料(如涡轮叶片、导向器叶片、涡轮盘、燃烧室等)基本依赖进口,“卡脖子”问题日益突出。

于军希望,能为解决合金粉末诸多“卡脖子”难题不断“实干”。

如果不是获得“2019全国创新创业大赛新材料行业总决赛成长组企业三等奖”,裕泰隆依然不会被人注意到。

这家坐落在河南省南阳市方城县的企业,很少被人关注。但就是如此“不起眼”的一家公司,却占据国内中高端触媒粉70%的市场份额,培育宝石级钻石触媒粉国内市占率更是高达100%,是国内合金粉末材料细分领域——金刚石触媒粉行业名副其实的“隐形冠军”。

据介绍,金刚石是一种超硬多功能材料,具有较高的硬度和热导率,较宽的透光波段,耐辐射、耐强酸碱腐蚀等优异的物理化学特性,在电子器件、国防、通讯、航空航天等高科技领域有极大的应用潜能。

人造金刚石的合成主要是以高温高压触媒法为主。触媒材料不仅可以降低石墨向金刚石转化的温度、压力,而且对所生成的金刚石晶体的力学、电学和光学等也有影响。

在没有触媒参与的情况下,石墨转化为金刚石需要13GPa的高压和2700℃以上的高温。采用触媒,可使金刚石的合成压力与温度分别降至5~6GPa和1200~1400℃,从而使工业生产金刚石成为可能。同时,大型化合成压机是合成金刚石的核心设备,要创造一个高温、高压的合成腔体,依碳元素平衡相图,在这个腔体内,使碳原子形成稳定的金刚石晶体。

然而,由于金刚石巨大的商业价值,触媒材料和高品级金刚石的合成技术情报以及核心设备一直处于高度依赖进口或严格保密状态。

直到2014年裕泰隆异军突起,以震惊业界的速度先后掌握触媒材料、合成技术以及核心设备设计制作,逐步打破国外对人造金刚石和宝石级钻石触媒粉的垄断。

根据戴比尔斯发布的《2018年钻石行业洞察报告》,2017年全球钻石珠宝消费需求量高达820亿美元,我国是全球第二大钻石珠宝消费市场,按美元计算2017年全年消费需求量达100亿美元。

然而,全球天然钻石毛坯年产量一直稳定于1.2~1.5亿克拉左右,供需趋势的落差促使美国联邦贸易委员会在2018年7月发布的新版珠宝指南中修改了钻石的定义,钻石不再限定于“天然的”,标志着官方机构对于培育钻石一定程度上的认可。

下半场竞逐的枪声响起,人造“大克拉”时代来临。如戴比尔斯2018年5月宣布通过旗下的Lightbox Jewelry品牌开展培育钻石饰品的销售业务,施华洛世奇调整优化培育钻石品牌Diama的布局等。

就在这样严峻的形势下,裕泰隆是如何在短短5年间成功登顶,成为人造钻石之王呢?

“隐形冠军”登顶之路

相关资料显示,我国是世界人造金刚石的主要生产国,占全球金刚石总量的90%以上,而河南省作为我国超硬材料的发源地,其人造金刚石产量占全国总产量的90%以上。

虽然生产高度集中,但金刚石触媒粉却高度依赖进口,这是国内粉末冶金产业的普遍痛点。为了改变这一现状,2014年,河南省通过人才引进迎来了一位产业核心技术掌握者——于军博士。

于军,2009年毕业于北京科技大学材料学专业,主攻粉末高温合金制备新技术及装备的研究,其中2台制粉设备获得国家自然科学基金的支持。

作为国内合金粉末产业领军人物,2014年,于军被“挖”到河南成立了裕泰隆,专注以金刚石触媒粉为主的合金粉末研发生产。

“我们当时花了大概1~2个月的时间去研究金刚石的合成原理。”这一研究,于军有了惊人的发现,“国外发布的金刚石合成原理的理论模型是错的,而国内做的东西基本上是在错误的模型上进行的推演。当我们做出正确的金刚石合成原理模型,然后用这个模型推演触媒后,仅第一次小试阶段,就将金刚石触媒粉优品率从原来的70%提升至了85%~90%。”

此外,从成分体系来看,国外金刚石触媒粉生产厂家通常使用贵重金属作为原料,而于军大胆假设,成功改变金刚石触媒粉常用的成分体系,用部分铁代替了贵重金属钴,这使得原材料成本降至原来的三分之一。

极高的优品率和性价比,让裕泰隆一举成名,逐渐成为国内人造金刚石领域触媒粉垄断性供应商。初尝甜头后,于军以此为突破口,又啃下了宝石级钻石触媒粉的研发生产。

“2015年之前,宝石级钻石触媒是一个行业机密。”于军在接受《大国之材》采访时表示,包括原天然钻石的垄断者、培育钻石的发明人戴比尔斯,以及第一例培育钻石的生产厂家GE公司,都因为成本高昂而放弃批量化生产。

就在那一年,于军仅仅花了1周时间就实现了技术突破,3个月便批量到1000台压机,成为世界第一家批量化生产宝石级钻石触媒粉的企业,打破了戴比尔斯等国际巨头的垄断,将培育钻石打造成了中国制造的一张名片。

然而,金刚石触媒粉这一细分领域的成功,并未让于军止步于此,他为裕泰隆规划了下一个“五年计划”。

中国逐步从原材料大国走向制造强国,始终离不开一代又一代材料人的前赴后继、奋斗不息。前有中国高温合金之父师昌绪排除万难,发展出中国第一个铁基高温合金,领导开发中国第一代空心气冷铸造镍基高温合金涡轮叶片;后有于军等年青一辈接过中国“粉末高温合金梦”的大旗,紧跟国家需求,计划在下一个五年内解决涡轮盘粉末高温合金这一难题,填补粉末高速钢依赖进口这一行业现状。

粉末高温合金,是现代高性能航空发动机涡轮盘等关键部件的必选材料。与美欧、俄罗斯等航空强国相比,我国的民用航发刚起步,军用航发勉强交付。国内制备涡轮盘寿命在400小时(国际上寿命最高达20000小时),中外技术差距甚远。

“粉末高温合金这个行业还维持在09年我刚毕业时的寿命水平,甚至还有些退步,”于军认为其根本原因在原材料。对于企业来说,做原料的周期长、见效慢、变量大,因此国内厂商多数只喜欢做容易出成绩的制品,“我是专业出身,还是希望能够在原材料上做一些工作,毕竟有好的原料才能做出好的制品。”

空有“材料报国”之志是不够的,还得通过技术封锁的难关。国际上的粉末高温合金从设备到技术等对中国严格封锁,无法进口。于是,裕泰隆主要通过自主研发的非标设备,改变了传统粉末制备原理。

自动化操作平台

如今,“我们有批量化生产粉末的能力,但是粉末的品质需要客户去认证”,于军表示,裕泰隆已布局了3条生产线,估计在2020年3月份能够批量化生产,年产100吨。如果以1吨200万~300万的价格算,销售额最高可达3亿元人民币。

对于粉末高速钢,其良好的组织均匀性和碳化物无偏析特点,弥补了普通高速钢的先天缺陷,使钢材质量和性能得以全面提升。然而目前国内没有大批量供规模化生产的企业和研发人员,每年进口量约2万吨。

对此,于军向《大国之材》透露,裕泰隆计划2020年生产100吨,然后每年翻一番,争取在15年内达到一个钢厂的体量。

“100吨算是中试规模的一个量级吧,虽然比起2万吨的缺口来说价值不大,但如果我们这种微小的力量能够推动整个行业往前发展,也是学习这个东西的意义。”凭借打破技术封锁,实现国产代替进口,一雪多年来国内高端粉末合金行业踟蹰不前的“耻辱”,于军和裕泰隆,终于做好了准备直面未来。

“一花独放不是春,百花齐放春满园”。粉末冶金作为支撑一国高端制造的上游核心材料,若要解决“卡脖子”难题,需要全产业链协同破局。

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