碳化硼是一種高強(qiáng)度、高硬度、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的陶瓷材料，由于其硬度僅次于金剛石，俗稱“黑鉆石”。碳化硼對(duì)反應(yīng)堆核裂變產(chǎn)生的中子有強(qiáng)吸收能力，吸收中子后沒有強(qiáng)的二次輻射，是反應(yīng)堆常用的控制組件材料和屏蔽組件材料。
“太好了！成功了！”凌晨四點(diǎn)，只有機(jī)器轟鳴聲的廠房里，魏夢(mèng)玲和項(xiàng)目組的其他3名成員高呼起來。已在燒結(jié)爐前守了一天一夜的他們，困意瞬間消失，欣喜溢于言表。這是經(jīng)過工藝改進(jìn)、技術(shù)調(diào)試后生產(chǎn)出的首爐高密度碳化硼芯塊，經(jīng)測(cè)定，這批芯塊各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均成功達(dá)到供貨要求，密度合格率超98%。
魏夢(mèng)玲是中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院四所高密度碳化硼芯塊批量化生產(chǎn)項(xiàng)目的核心成員之一，2019年入職、剛滿31歲的她已是項(xiàng)目組的技術(shù)骨干。“這條技術(shù)探索之路，現(xiàn)在回頭看也沒覺得很難，但當(dāng)時(shí)時(shí)間緊、任務(wù)重，要滿足產(chǎn)品的高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)要求，把其他供貨公司4年的工作壓縮在幾個(gè)月內(nèi)完成，還是有很大壓力的。”
2024年1月，魏夢(mèng)玲參與的高密度碳化硼芯塊批量化生產(chǎn)項(xiàng)目順利完成交付，4.4噸產(chǎn)品將用于在建核電機(jī)組。
這是核動(dòng)力院乃至集團(tuán)首次開展高密度碳化硼芯塊生產(chǎn)供貨，其生產(chǎn)制備技術(shù)為完全自主創(chuàng)新，其生產(chǎn)效率遠(yuǎn)超業(yè)界同行。更為重要的是，在此次創(chuàng)新探索中，核動(dòng)力院高密度碳化硼芯塊全產(chǎn)業(yè)鏈自主供貨模式基本成型。未來短期內(nèi)，從原料制備、技術(shù)開發(fā)，到批量生產(chǎn)、長(zhǎng)期供貨將“一條龍”打通，全面實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、批量化、可持續(xù)的生產(chǎn)供應(yīng)。這是一次具有重要意義的跨越性突破，是助力院和集團(tuán)打開國(guó)內(nèi)碳化硼芯塊供貨市場(chǎng)的一次重要契機(jī)，為院新興產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品品牌打造和業(yè)界口碑樹立開辟了新的賽道。
厚積薄發(fā)：實(shí)驗(yàn)室制備技術(shù)的成熟之路
這些小小的、尺寸2公分左右的高密度碳化硼芯塊看起來平平無奇，然而從實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)、制備到全鏈條批量化生產(chǎn)，卻走過了近三十個(gè)春秋冬夏，凝聚了兩代核材料人的智慧與心血。碳化硼是具有高強(qiáng)度、高硬度和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的陶瓷材料，其中子吸收截面高，吸收能譜寬，吸收中子后沒有強(qiáng)的二次輻射，是反應(yīng)堆常用的控制組件材料和屏蔽組件材料。但同時(shí)，它的晶格結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，自擴(kuò)散系數(shù)極低、晶界移動(dòng)困難，導(dǎo)致其成型難度高、致密化困難，燒結(jié)后斷裂韌性差。在過去幾十年中，高密度碳化硼的燒結(jié)制備都面臨著工藝難題。
1994年左右，核動(dòng)力院四所就開始研制用于反應(yīng)堆控制棒的碳化硼材料。“當(dāng)時(shí)碳化硼主要靠俄羅斯進(jìn)口，國(guó)內(nèi)沒有相關(guān)技術(shù)參照，各項(xiàng)條件都很不成熟，制備方法都靠自己摸索，連70%T.D.的天然富集度的碳化硼都很難燒制。”四所技術(shù)總師楊靜回憶道，“后來我們一直想辦法改良設(shè)備，2000年有了熱壓技術(shù)，助燒劑的選擇也比較多了，就能基本燒成密度90%T.D.以上的高密度規(guī)格芯塊了。之后又用了十幾年進(jìn)行工藝改進(jìn)，到2014年左右，我們通過解決粉末粒度的問題，全面攻克了異形件成型和燒結(jié)的難題，工藝精準(zhǔn)度就非常高了。”此時(shí)，華龍一號(hào)核電機(jī)組反應(yīng)堆保溫層的屏蔽組件上正需要這樣的芯塊，四所二室制備出來的高密度碳化硼芯塊已達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求。
然而，雖然實(shí)驗(yàn)室已攻克不同密度、不同富集度碳化硼制備的難題，具備了相對(duì)成熟的工藝，但短時(shí)間內(nèi)要找到合適的生產(chǎn)設(shè)備，完成批量生產(chǎn)工藝的研發(fā)和大批量的生產(chǎn)供貨仍存在巨大困難，最終，“華龍一號(hào)”的項(xiàng)目沒能成功拿下。直到8年后，2022年底，一個(gè)新的機(jī)會(huì)出現(xiàn)了。國(guó)內(nèi)在建核電機(jī)組屏蔽組件，亟需4.4噸密度在90%T.D.以上的天然富集度高密度碳化硼芯塊，要求一年內(nèi)完成交付。一年，除去前期文件準(zhǔn)備、審核和后期產(chǎn)品鑒定、交付的時(shí)間，能用于研發(fā)、改進(jìn)批量生產(chǎn)工藝并進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)間最多只有9個(gè)月。9個(gè)月，有多大可能性能夠順利完成供貨呢？此前供貨的廠家，用了整整4年才完成工藝改進(jìn)和這么大批量的碳化硼芯塊生產(chǎn)。
就此放棄嗎？那么又會(huì)像2014年一樣，錯(cuò)失一次拓展產(chǎn)業(yè)格局、開辟新興產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的重要機(jī)會(huì)。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人彭建財(cái)思考再三，決定搏一搏，頂著巨大的壓力簽下了該項(xiàng)目，并以最快的速度牽頭成立了生產(chǎn)項(xiàng)目組。項(xiàng)目成員以四所二室的技術(shù)人員為主，同時(shí)協(xié)同了五室、七室、通用室等多名技術(shù)骨干，將工藝研發(fā)、產(chǎn)品加工、產(chǎn)品檢測(cè)等眾多環(huán)節(jié)一次性打通。實(shí)驗(yàn)室工藝有了，項(xiàng)目組有了，技術(shù)骨干有了，可是批量生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線卻沒有。
怎么辦？靠自己實(shí)驗(yàn)室研發(fā)設(shè)施生產(chǎn)肯定趕不上項(xiàng)目進(jìn)度，授權(quán)代工生產(chǎn)又面臨核心技術(shù)流失的問題。就在一籌莫展時(shí)，“強(qiáng)核心，大協(xié)作”理念給了彭建財(cái)“借廠生產(chǎn)”的不走尋常路想法，“我們沒有設(shè)備就去租去借設(shè)備，再派項(xiàng)目組的人駐扎工廠開展工藝研發(fā)、指導(dǎo)生產(chǎn)，既能實(shí)現(xiàn)短期內(nèi)批量化生產(chǎn)的目標(biāo)，也能確保關(guān)鍵技術(shù)和核心研制能力掌握在自己手里。”在這樣的思路下，項(xiàng)目組根據(jù)實(shí)際需要多方比對(duì)，找到了一家遠(yuǎn)在山東的陶瓷材料生產(chǎn)廠家，緊鑼密鼓地開啟了高密度碳化硼批量化生產(chǎn)的工藝探索。
重重攻關(guān)：批量化生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新突破
在1600公里外的工廠開展批量化生產(chǎn)，和在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行小量制備完全不同。項(xiàng)目組以從實(shí)驗(yàn)室探索出來的“基于熱壓燒結(jié)路線的高密度碳化硼燒結(jié)技術(shù)”為基礎(chǔ)，進(jìn)行批量化生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)，其工序簡(jiǎn)單總結(jié)起來只有四道：一是混料造粒成型，二是熱壓燒結(jié)，三是機(jī)械加工，四是清洗檢測(cè)。但這簡(jiǎn)單的背后，是千百次復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)與調(diào)控驗(yàn)證，是對(duì)各類難關(guān)的重重突破。
第一道難關(guān)是工藝驗(yàn)證。這本不是個(gè)復(fù)雜的步驟，實(shí)驗(yàn)室多年的技術(shù)積累，已經(jīng)形成了相對(duì)穩(wěn)定、成熟的工藝和參數(shù)。然而，讓項(xiàng)目組沒有想到的是，工廠原本用于低精度生產(chǎn)的設(shè)備，不僅無法像實(shí)驗(yàn)室設(shè)備一樣自動(dòng)校準(zhǔn)，甚至連準(zhǔn)確的控溫控壓裝置也沒有。對(duì)于熱壓燒結(jié)來說，溫度和壓力至關(guān)重要，即使微小的變化，也會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。怎么辦呢？沒有條件那就創(chuàng)造條件。經(jīng)過和廠家的多次協(xié)商，項(xiàng)目組決定自己動(dòng)手改造設(shè)備，為每一臺(tái)設(shè)備都重新加裝溫度、壓力精準(zhǔn)控件。
設(shè)備改良后，溫度、壓力準(zhǔn)確了，又出現(xiàn)了新的問題。工廠采購(gòu)的設(shè)備小而多，每臺(tái)設(shè)備采購(gòu)時(shí)間不同、使用年限和頻次也各不相同，要同時(shí)生產(chǎn)出質(zhì)量、尺寸、密度、精度一致的碳化硼芯塊，是極為困難的。項(xiàng)目組思來想去，只有采取“一爐一線”的“笨辦法”，為每一臺(tái)設(shè)備都精準(zhǔn)設(shè)置不同的工藝曲線，才能達(dá)到上述要求。在不斷測(cè)試每臺(tái)設(shè)備的性能、差異，開展具有針對(duì)性的模擬實(shí)驗(yàn)后，項(xiàng)目組最終制定出四條燒結(jié)工藝曲線，而因?yàn)樵O(shè)備性能的不同，四條工藝曲線的最高溫度差甚至超過100℃。這樣巨大的溫差能燒出同樣的產(chǎn)品嗎？這為工藝驗(yàn)證的理論說明帶來了困難。技術(shù)人員一邊模擬一邊實(shí)操，從不同層面向采購(gòu)方論證產(chǎn)生不同工藝曲線的原因，不斷證明不同曲線、不同設(shè)備生產(chǎn)同樣質(zhì)量、同樣標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的可能性。
終于，60多個(gè)日夜后，工藝驗(yàn)證這道難關(guān)終于成功突破。而在此過程中，為了做好產(chǎn)品的跟蹤管控，項(xiàng)目組還按照院所質(zhì)量程序文件，現(xiàn)場(chǎng)建立了批次溯源管理規(guī)定及相關(guān)程序，形成了系統(tǒng)化、精細(xì)化的質(zhì)量、安全管理模式，在后續(xù)的整個(gè)加工生產(chǎn)過程中起到了重要作用。
最難的不是設(shè)備調(diào)試，而是熱壓燒結(jié)工藝。項(xiàng)目組租用的工廠雖然有過碳化硼生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，但其生產(chǎn)的是大尺寸產(chǎn)品，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單許多，對(duì)于此次項(xiàng)目需要的小而精的高密度碳化硼芯塊，工廠過去的經(jīng)驗(yàn)就很難派上用場(chǎng)了。項(xiàng)目組的技術(shù)人員雖然有實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)，但在實(shí)驗(yàn)室里，芯塊燒結(jié)采用單個(gè)燒結(jié)的方法，一天僅燒出一個(gè)，現(xiàn)在，要在保證精度不變的情況下，放大產(chǎn)量，每天每爐燒出上千塊合格產(chǎn)品，難度不可謂不大。
要放大產(chǎn)量，熱壓模具就要從單層變成多層，同時(shí)單層芯塊數(shù)量也要增多。但是，模具疊放且尺寸放大后，不同位置（層與層之間、單層模具的中心與邊緣之間）的生坯在燒結(jié)過程中承受的溫度和壓力就會(huì)產(chǎn)生區(qū)別，燒結(jié)出來的芯塊密度也會(huì)不一致。面對(duì)這樣的情況，“前期工廠經(jīng)驗(yàn)豐富的工人也進(jìn)行了嘗試，結(jié)果燒了兩輪全都失敗，工人們都很沮喪，我們用理論推演后，決定采用限位的方法，精準(zhǔn)控制每一塊生坯的質(zhì)量和體積，保證每個(gè)芯塊的密度在技術(shù)指標(biāo)允許的范圍內(nèi)。”按照這個(gè)方法，項(xiàng)目組成員加班加點(diǎn)開展熱壓燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，全力推進(jìn)首爐燒制。“我們燒的第一爐就成功了！這既在意料之外，也在意料之內(nèi)。就是凌晨四點(diǎn)那次，連工廠的工人們都很驚訝！”魏夢(mèng)玲激動(dòng)地說。
自此，高密度碳化硼芯塊批量化生產(chǎn)工藝正式取得突破。從實(shí)驗(yàn)室每天制備1塊飛躍到每天批量生產(chǎn)4000余塊，效率激增千倍以上。同時(shí)，在精益求精的質(zhì)量把控下，此批出廠的碳化硼芯塊密度、晶粒尺寸均有效控制在技術(shù)指標(biāo)要求范圍內(nèi)。目前該工藝正在申請(qǐng)技術(shù)發(fā)明專利。
突破了熱壓燒結(jié)難關(guān)，項(xiàng)目組也沒敢懈怠，除要對(duì)工廠工人進(jìn)行培訓(xùn)外，生產(chǎn)中還有不少技術(shù)問題需要持續(xù)解決。“咬定青山不放松”，在敢于突破、勇于創(chuàng)新的同時(shí)，把握好每一個(gè)細(xì)節(jié)，這是項(xiàng)目組始終秉持的原則，項(xiàng)目組的技術(shù)人員也都是這樣做的。夏季斌是項(xiàng)目組現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人，據(jù)他介紹，為保證每個(gè)芯塊的倒角都有完美的弧度，加工用的磨床每天就需要更換一百個(gè)金剛石刀頭。而生產(chǎn)出來的芯塊上殘留的磨削液清洗不干凈、檢測(cè)制樣時(shí)普通金相法做不出來，這些看起來不那么重大，實(shí)際卻不容忽視的細(xì)節(jié)上的難題，是技術(shù)專家李統(tǒng)業(yè)牽頭想辦法解決的。剛?cè)肼毜摹靶∧贻p”錢潤(rùn)柳同樣感受頗深，每天工作狀態(tài)像“打仗”一樣，雖然壓力巨大，但成長(zhǎng)飛快。
萬重山前輕舟過，千琢玉后器乃成。在全體項(xiàng)目組成員不計(jì)付出、不求回報(bào)地全力沖刺下，難關(guān)一道道突破，細(xì)節(jié)一處處打磨，此次具有突破性意義的工藝研發(fā)和批量生產(chǎn)項(xiàng)目以驚人的速度完成，最終僅耗時(shí)7個(gè)月，生產(chǎn)出4.4噸高密度碳化硼芯塊。這批產(chǎn)品質(zhì)量全部達(dá)標(biāo)，獲得了采購(gòu)方、使用方的雙重肯定。
通力協(xié)作：產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式的多維探索
此次項(xiàng)目能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)突破性跨越，靠的不僅是批量化技術(shù)工藝的創(chuàng)新突破，同時(shí)也是產(chǎn)業(yè)模式多向多維探索的結(jié)果。這是院內(nèi)首次采用“自主研發(fā)工藝+外部工廠協(xié)作”的運(yùn)行模式開展項(xiàng)目，其優(yōu)勢(shì)在于機(jī)動(dòng)靈活，一方面能將核心技術(shù)掌握在自己手里，一方面可以減少固定資產(chǎn)投入，有效控制產(chǎn)品生產(chǎn)成本。但在這一模式下，項(xiàng)目參與方增多，溝通成本、時(shí)間也隨之增加。為更好解決這一問題，項(xiàng)目組推行了設(shè)計(jì)方、采購(gòu)方、使用方、制造方“四方會(huì)談”的良好協(xié)作模式——通過一周3次的線上視頻會(huì)，將生產(chǎn)進(jìn)度、過程中產(chǎn)生的問題、須多方協(xié)調(diào)解決的事宜直接擺出來，在項(xiàng)目壓力大、時(shí)間緊的情況下，以更高效的方式溝通解決。同時(shí)，項(xiàng)目組還以四所二室黨支部為主體，與采購(gòu)方相關(guān)支部開展了黨建聯(lián)建，打破行政組織壁壘，通力合作保障項(xiàng)目順利運(yùn)行。
“四方協(xié)作”的不僅是形式，還有理念。工廠方長(zhǎng)期開展民用市場(chǎng)碳化硼生產(chǎn)，在質(zhì)量管控、安全風(fēng)險(xiǎn)防范等方面管理精細(xì)度相對(duì)較低，此次合作，項(xiàng)目組在工廠內(nèi)引入核動(dòng)力院“責(zé)任、安全、創(chuàng)新、協(xié)同”的核心價(jià)值觀，重新修訂了工廠的質(zhì)量安全管理制度，并建立了相關(guān)溯源程序，不僅推動(dòng)了生產(chǎn)的有序運(yùn)行，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量精度，同時(shí)也為后續(xù)此類合作的開展奠定了基礎(chǔ)、樹立了標(biāo)桿。
近年來，現(xiàn)代核能、航天、海洋工程領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芴沾刹牧系男枨笕找嬖龈撸?022年，碳化硼行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)10.96億元。僅在核電領(lǐng)域，碳化硼每年就有1億元左右的市場(chǎng)，包括此次項(xiàng)目生產(chǎn)的天然富集度碳化硼和有著更高生產(chǎn)要求的高富集度碳化硼，其中后者市場(chǎng)價(jià)值占比約90%——而核動(dòng)力院正擁有其原料生產(chǎn)資源。在此情況下，如果只靠外部工廠協(xié)作，必然會(huì)失去諸多市場(chǎng)機(jī)會(huì)，建立自有的生產(chǎn)線勢(shì)在必行。
目前，彭建財(cái)?shù)热伺c四所一室協(xié)同合作，利用其高富集度碳化硼原料的生產(chǎn)資源，將碳化硼生產(chǎn)從原材料制備到工藝加工到批量生產(chǎn)全鏈條打通，真正做到低成本、高效能、高質(zhì)量、高安全水準(zhǔn)運(yùn)行。這條全鏈條批量化生產(chǎn)線現(xiàn)已完成方案設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)未來每年可承擔(dān)噸級(jí)碳化硼（天然豐度和高富集度）的生產(chǎn)，成為整個(gè)碳化硼市場(chǎng)中的生力軍。
新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展任重道遠(yuǎn)，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)是重中之重。此次成功交付的高密度碳化硼芯塊批量化生產(chǎn)項(xiàng)目，是核動(dòng)力院科技產(chǎn)業(yè)“雙輪驅(qū)動(dòng)”發(fā)展的又一次創(chuàng)新突破。為成為“實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)”時(shí)代的合格“答題人”，下一步，核動(dòng)力院還將充分運(yùn)用新動(dòng)能、新優(yōu)勢(shì)，持續(xù)開辟新領(lǐng)域、新賽道，在“以科技創(chuàng)新發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力”的路上，上下求索，乘風(fēng)破浪，闊步前行！
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