深耕钨合金，这位学者将纳米钨研究到极致

钨在冶金和金属材料领域中属高熔点稀有金属或称难熔稀有金属，是国家重要的战略储备资源。钨是现代工业、国防及高新技术应用中的极为重要的功能材料之一，以钨为主材制造的硬质合金被誉为“工业牙齿”。虽然我国目前在高端合金领域的整体实力仍落后于国外发达国家，但经过多年的努力，研发实力不断提升。本文主要介绍一位深耕钨合金研究20多年的女学者——中南大学粉末冶金研究院难熔金属与硬质合金研究所所长范景莲教授。范景莲教授图片在2018年5月10日湖南日报第三版《“范纳米”和她的高端新材料》上，媒体专门介绍了范景莲教授。

20多年来，范景莲不断攻克世界级技术难关，研发出微纳复合轻质难熔金属基复合材料、高性能钨基复合材料，并成功实现产业化，材料产品应用于我国航空航天、飞行器等重点领域。硬质合金之所以是“硬骨头”，一是我国从20世纪50年代末开始钨基合金研究，早已实现批量生产，并经过反复开发，实在不算一个“新”领域，似乎难有“新”成绩;二是当时钨基复合材料已经难以满足尖端技术领域的发展需要，范景莲选择这一课题时，导师的两句话打动范景莲，一句是“做出一个在资料上查不到的东西”，一句是“你不仅要当这个领域中国的学术带头人，更要当全球的学术带头人”。“做出一个在资料上查不到的东西”成为范景莲的工作目标，在做了大量基础研究之后，1998年，范景莲敢啃“硬骨头”，率先提出“纳米复合”钨合金概念即用纳米技术细晶化钨合金，这在国内外都是首创。在此之前，粉末冶金制备就像“炒菜”，由大颗粒的金属粉末元素混合制备成合金。让金属元素实现原子、分子级的原位复合，当时无异于“天方夜谭”。所以“一开始阻力非常大，因为这是在挑战传统方法，很多人并不看好。一次次失败又重来，最终找到了突破口，粉末超饱和固溶使W-Ni-Fe粉末产生低温熔融特性转变，在1350至1450摄氏度烧结时，可达到99%以上的致密度。钨和铜熔点相差大，被称为两相结构假合金。通过纳米复合，改变相互特性，让原本互不相熔的两种金属，实现原子级均匀分布，从而变“假合金”为“真合金”。创想得到证实，研究步步跟进。根据这一技术设计开发出的相关材料和部件，已成功应用于我国重大型号战略导弹。2015年，范景莲教授团队与株洲硬质合金集团有限公司共同完成的“高性能钨基复合材料及其应用”项目，荣获国家技术发明二等奖。当时，国家在研发的一种新型超高速飞行器，其在近地空间以Ma5～20长时间飞行，其前端关键结构部件表面产生2000至3000摄氏度高温，承受强表面氧化和高动压高过载冲击，这对热端构件提出了极为苛刻的使用要求，是国际公认最突出技术难题。一次，一篇有关杂交水稻的报道让范景莲灵光乍现，如果用超高温陶瓷材料和难熔金属实现“微纳复合”，是不是可以像杂交水稻一样，实现双方优势互补，既有陶瓷的高熔点、低密度等特性，又拥有金属的延展性呢?像杂交水稻一样“杂交”陶瓷材料与难熔金属是范景莲在难熔金属领域开始攀爬又一座新高峰。

与“金属+金属”的复合材料相比，“金属+陶瓷”形成复合材料的难度呈几何倍数增加，因为一个是有机材料，一个是无机材料;一个导电导热，一个不导电导热;一个可延展，一个没有延展性，可谓根本没有“复合”的基础。但是，范景莲走出一条属于自己的路，经过层层的试验，她的团队终于研制出耐超高温复合材料，高温强度提高5倍以上、密度降低一半，这种微纳复合轻质难熔金属基复合材料实现了难熔金属高温强韧、轻量化和抗烧蚀一体化设计，其高温强度比现有超高温难熔金属提高5倍以上，密度降低1/2;经风洞和发动机反复考核，材料无破坏、近零烧蚀，可实现空气中超高温环境下的长时间抗烧蚀、抗冲刷、抗高过载冲击，在高超声速武器热防护、新型高能发动机等超高温领域迅速得到推广和应用。目前，范景莲教授已获得发明专利近50项。继入选“长江学者”“国家杰出青年”以及享受国务院政府津贴专家之后，2017年，范景莲成为国家首届创新争先奖获得者并获得何梁何利科技进步奖。“把研究成果变成可应用的产品，才能真正体现其价值”，2014年，范景莲带着一批一直从事新材料研究的博士、硕士、工程人员，创建长沙微纳坤宸新材料有限公司。目前，微纳坤宸已成为我国航空航天、国防军工以及兵器船舶等领域多个型号产品的唯一供应商。