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王福会:专注于高温腐蚀研究 为国家建设保驾护航
中国腐蚀与防护网 作者:王元 2019/02/28

  绝大多数金属材料和非金属材料的破坏都与其周围环境的腐蚀因素有关,腐蚀遍及国民经济的各个领域,给社会带来巨大的经济损失,已成为当今材料科学与工程领域不可忽略的课题。高温腐蚀是石油化工、能源、动力、冶金、航空航天等领域普遍存在的问题,几乎所有的金属和合金都会发生高温氧化和腐蚀,严重地阻碍了行业的发展。因此,研究材料在高温服役环境下腐蚀科学与防护技术,有着重要的科学意义和应用价值。我国科技工作者们在高温腐蚀领域进行了较为深入的研究,取得显著成果。东北大学王福会教授就是其中之一。

  王福会,东北大学教授,中国腐蚀与防护学会理事长,中国科协先进材料学会联合体首届主席团副主席,国家杰出青年基金获得者。他长期专注于高温腐蚀与防护的科研工作,并取得了丰硕的成果。

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  王福会教授

  下面请随记者走进王教授的科研世界。

  记者:在您的科研生涯中,您取得了很多科研成果,请给我们回忆一下您的科研历程,并谈谈您对科研的看法?

  王教授:1983年,我从哈尔滨船舶工程学院(现“哈尔滨工程大学”)金属材料及热处理专业毕业,考取了梦寐以求的中国科学院金属研究所,师从相图领域著名科学家庄育智先生和吴昌衡老师进行Pr-Co-P三院系相图与相结构研究 。两年半的硕士期间很好地完成里老师交给我的科研课题,硕士工作在Less-Common Metals上发表2篇论文,在金属学报上发表1篇论文,硕士工作公开发表论文数量在金属所83级研究生中可能是最多的。

  1986年3月1日,我硕士毕业分配到刚成立不久的中国科学院金属腐蚀与防护研究所。我觉得我是极其幸运的,我刚开始工作就遇见了最好的老师楼翰一,他学风严谨,为人正派,又赶上楼老师拿到一个40万元的国防课题,同时课题组从日本引进一台磁控溅射仪由我负责,我就在这台设备上开始了我的科研工作。当时楼老师让我用磁控溅射,在高温合金K38G上制备CoCrAlY涂层。当时我查了很多资料,认为高温涂层加稀土Y是为了提高氧化膜的黏附性,从而提高抗氧化性能,不加稀土抗氧化性能不好。我在做CoCrAlY的同时,做了一个不含稀土Y的靶材,想比较一下在溅射涂层中稀土Y的作用。没想到结果让我大吃一惊,加稀土Y的涂层没有不加的好(只从氧化动力学上看)。开始我以为实验做错了,后来重复了好几次,发现没有错。再后来又怀疑不加稀土的那块靶材是否也含有稀土?因为它是在冶炼完加稀土的之后冶炼并浇铸的,炉子里残存了少量稀土Y进入了这个靶里?反复折腾一两年也没找出原因,但始终也不敢报道这件事情。后来我想了个办法,把含稀土Y和不含的靶材各取几块样品进行氧化比较一下,结果与文献报道相一致,不加稀土Y的氧化膜很容易剥落,而加稀土Y的样品氧化膜黏附性很好。结果显示,不加稀土Y的靶材里确实没有稀土,因此涂层里也不会有稀土。后来研究发现,原因是溅射涂层晶粒尺寸比合金小几个数量级的结果。这一结果在1993年日本东京召开的第五届国际先进材料大会上进行了报道,题目是“高温合金能不能自己防护自己?答案是能,通过微晶化”,因此项工作我获得国际材料联合会颁发的“青年科学家与工程师”奖。因为溅射涂层晶粒尺寸大多在20-80纳米,所以起初我起名叫“微晶涂层”,因为那时纳米晶一般在50纳米一下。后来在卢柯研究员的建议下,统统改称“纳米晶涂层”,这一改名很重要,国际上关注这一涂层的人也越来越多,我们团队在国际上也开始有了点影响。

  后来,我在搪瓷坩埚里做K30G合金与涂层的热腐蚀实验室,偶然发现没有涂层的合金抗热腐蚀特别好,仔细分析发现合金表面沉积上一层透明的搪瓷。从那时起就开始研究搪瓷对材料高温腐蚀的影响,先后有20多个学生参与研究,至今这项研究还是我们团队的主研方向。特别是我们发展的金属复合搪瓷涂层还获得了美国专利,这一技术将在很多领域获得应用。

  我对科研的看法是:要认真踏实地做科研,不要忽略细节,更要关注与原来预期不一样的结果。我完全同意中科院金属所原所长卢柯院士的看法:我们要做“真科研”,要做“真科学家”!

  记者:您主要从事高温腐蚀与防护方面的研究工作。请结合您和您团队的科研工作,重点谈谈这一研究工作在国家建设中的意义?

  王教授:我主研方向是高温腐蚀与防护。我们团队是在国际上最早开展抗氧化纳米涂层研究工作的。在我们开展这项工作之前,高温合金防护涂层全部都是通过提高表面铝含量,形成氧化铝膜,实现抗氧化的。而我们研究发现,高温合金表面通过纳米化就可以实现“自防护”。与传统涂层相比的最大优点是,这种涂层不存在脆性和互扩散问题,是一种全新的防护涂层。同时,我们也是国际上最早开展海洋环境高温腐蚀研究的团队。研究背景主要针对舰艇发动机热端部件(叶片,排烟管等),核潜艇一回路材料等。我们发现海洋高温环境材料的腐蚀与传统的高温腐蚀及水溶液腐蚀完全不一样的规律。如Fe-Cr合金,随Cr含量升高,腐蚀速率增大,这与上述两种环境的腐蚀规律完全相反。由于这项重要的基础研究结果,为发展这一环境用的高温涂层奠定了理论基础。我们发展了系列抗海洋环境的高温涂层,并在国防重点型号上获得了应用。如涡轮叶片用NiCoCrAlY涂层:我们通过添加适量Hf降低涂层氧化速率,通过添加适量Si提高抗海洋环境热腐蚀,这一涂层兼顾了抗氧化和热腐蚀;涡轮叶片用Hf改性Pt-Al涂层:在电镀Pt过程中复合适量Hf可以使涂层氧化速率大幅度降低,通过控制涂层的结构(成分与相组成),降低涂层的脆性;发动机密封片、调节片等用的金属搪瓷复合涂层:通过添加氧化铝解决了搪瓷涂层的软化问题,通过添加金属解决了搪瓷与金属之间的相容性问题,这一涂层具有良好的抗海洋环境高温腐蚀,同时具有优异的抗热振性;发动机压气机叶片用梯度多层TiAlN涂层:用Hf和Si改善涂层的抗氧化性能和耐磨性,通过梯度多层结构降低涂层应力,制备了抗海洋环境腐蚀和耐磨的涂层。上述涂层都是与团队成员朱圣龙、辛丽、王文、王成、陈明辉、鲍泽斌、王世臣一起完成;海洋高温腐蚀基础研究主要由李瑛和刘莉完成。应该说,我们团队发展的高温涂层为我们国家的国防建设做了一定贡献。

  除了高温涂层外,我们团队还在铝、镁合金表面处理,包括化学转化膜、微弧氧化方面做了大量工作。其中张涛与于宝兴研制的化学转化膜用于华为铝、镁合金的3C产品上;张伟开发的铝合金微弧氧化技术用于兵器208所的步枪等产品上。

  同时我们团队还参加了725所吴建华作为首席科学家负责的国防973项目“XX长效防腐防污涂层研究”,其中防腐涂层部分由李瑛和我负责。在这期间,我们提出填料与树脂、树脂与金属表面,这两个主要界面实现“化学键合”的想法,并通过树脂接枝和机械化学力实现了化学键合。这两个界面实现化学键合后,涂料的各种性能都得到了提升。其中用机械化学力方法实现化学键合技术由邵亚薇负责,已经在成都天合科技发展公司获得应用;树脂接枝实现化学键合技术由吴航负责,目前正在武汉双虎涂料进行转化。

  记者:您是中国腐蚀与防护学会的第九届、第十届理事长,作为学会的主要领导人之一,请您谈谈如何做好学会的工作、带领学会走向更辉煌的明天?

  王教授:我认为学会就是本领域科教工作者之家,作为学会领导要让每个人都要有家的感觉,让每个人都要体会到家的温暖。中国腐蚀与防护学会第九、十届理事会继承了前几届理事会的光荣传统,在全国腐蚀界同仁的大力支持下,特别是在李晓刚教授和杜翠薇教授两任秘书长的共同努力下,更有凝聚力。我觉得学会要做好如下工作:

  (1)办好两年一届的全国腐蚀大会

  承办全国腐蚀大会是本学会最重要的工作之一,学会要下大力气做好组织工作,特别要做好学术交流工作,让大家有所收获,争取让绝大多数与会者感到满意。

  (2)抓好科普教育工作

  科普教育工作也是学会的重要任务。科普教育非常重要,要让全民都认识到腐蚀的危害,让全民学会用一些简单的方法减轻腐蚀危害是非常必要的。

  (3)做好防腐工程师的培训工作

  防腐工程师培训要认真做好,要找有真才实学和丰富经验的老师授课,让被培训人员学到真东西,让他们到工作岗位上能真正地解决实际问题。

  (4)做好科技奖和冠名奖的评审工作

  学会科技奖和冠名奖的评审工作也是腐蚀界的大事,要把那些真正优秀的科研成果评出来,并推荐出去,让科研成果真正为国民经济和国防建设作贡献;要把那些成果突出、德高望重的老科学家和学风严谨、成绩优异的青年学者评选出来,要让评选出的老科学家成为大家学习的榜样,让青年学者成为未来的国家栋梁,评选结果要经得起检验。

  记者:请您谈谈高温腐蚀与防护领域未来的发展趋势?

  王教授:我认为高温腐蚀与防护主要应该关注以下几个领域:(1)航空航天发动机及燃气轮机热端部件,主要是核心部件叶片。航空航天热端部件主要关注高温,特别是隔热问题,要求涂层抗隔热效果好、抗剥落;燃气轮机叶片关注抗热腐蚀,特别是要求长寿命。(2)超超临界电站过热器、再热器用材料的腐蚀问题。超超临界电站的运行参数越来越高,目前温度达到600度,压力26MPa左右。未来的发展目标温度650-700度,压力达到30MPa,这对材料的抗高温腐蚀提出了更高要求,目前应用得奥氏体不锈钢很难满足要求。管外要求材料抗燃气热腐蚀,内部抗高温高压水蒸汽腐蚀。所以发展新材料,或者是用于现有不锈钢的表面涂层技术来解决这一环境的高温腐蚀问题非常急需。(3)核电站中高温高压水蒸汽腐蚀问题。虽然这一环境腐蚀的温度和压力远低于超超临界电站腐蚀,但由于对安全性的要求更高,所以对材料的抗高温腐蚀要求也特别高。(4)垃圾焚烧及石油化工中的高温腐蚀也应值得关注。

  记者:在您的科研生涯中,取得了诸多科研成果。但目前我国科技成果转移转化不畅的问题多年来并未得到解决。无论是高校与科研院所下设的科技成果转移机构,还是第三方科技服务机构设立的技术转化,都遇到了各种问题,整体处于探索发展阶段。请谈谈您对这一问题的看法和建议。

  王教授:我不认为这是个问题。首先我认为一个真正“有价值”的科研成果不会存在转移转化问题。实际上不能实现转移转化的科研成果多数是“无价值”的“所谓”成果而已,它不能给社会创造价值,或者说是不成熟,不完整的阶段成果。到目前为止我们团队的几项科研成果都得到了实际应用。如多弧离子镀NiCoCrAlYHfSi涂层在贵阳170厂涡轮叶片上、Pt-Al涂层在株洲331厂涡轮叶片上、金属搪瓷复合涂层在沈阳410厂密封片等多个部件上、化学键合涂料在成都天合科技发展公司生产并在辽宁舰上等都获得了实际应用。我觉得我们要做出那些能给社会创造价值的完整科研成果。

  后记

  工欲善其事,必先利其器。科技是强国利器,科技强则国家强。建设世界科技强国并不是一蹴而就,千秋基业,人才为先,唯有大力培养造就创新型科技人才,优化科技创新布局,方能高奏世界科技强国号角。

  黄沙百战穿金甲,不破楼兰终不还。无数的祖国科技工作者们正在科技创新的道路上不畏艰难险阻,勇于攀登高峰,为实现中华民族伟大复兴的中国梦而不断地奋斗!我们坚信,在他们的共同努力下,不久的将来,我们国家定会扬眉吐气,傲立于世界科技强国之林。

  人物简介

  王福会,博士,男、60年6月生。原中国科学院金属腐蚀与防护研究所副所长,中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室主任,96年度国家杰出青年基金获得者。兼任中国腐蚀与防护学会理事长,中国科协先进材料学会联合体首届主席团副主席,国际杂志《npj: MATERIALS DEGRADATION》副主编、《ANTI-CORROSION METHODS & MATERIALS》、《INTERNATIONAL JOURNAL OF MATERIALS & PRODUCT TECHNOLOGY》、《TRANSACTIONS OF NON-FERROUS METALS SOCIETY OF CHINA》、《JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEARCH INTERNATIONAL》编委、《腐蚀科学与防护技术》主编。2008年被聘为国际高温腐蚀与防护会议顾问委员(Member of International Advisory Committee of International Symposium of High-Temperature Corrosion and Protection of Materials,国际高温腐蚀领域最重要的系列国际会议会,每四年一次,都在法国召开),主要从事高温腐蚀与防护研究。最早提出高温合金通过纳米化实现“自防护”的概念,同时开辟了固态盐和水蒸气综合作用对材料中温腐蚀的影响研究的新方向(海洋环境高温腐蚀),揭示一些与传统相悖的新现象,特别是在盐和水蒸气综合作用下,随Cr含量增加Fe-Cr合金的耐蚀性反而恶化,并提出了“动态水膜理论”揭示这一腐蚀规律。带领的团队发展的CoNiCrAlYHfSi涂层、金属复合搪瓷涂层、耐高温自修复涂料、化学键合重防腐涂料等成功应用于几个国防重大型号工程上。他1992年获中国科学院院长奖学金特别奖、1993年获国际材料联合会颁发的青年科学家与工程师奖、1994年获中国科学院有突出贡献的中青年专家称号、1995年获中国科学院首届优秀青年称号、1996年入选首届国家百千万人才工程的第一二层次、2001年获中国科学院青年科学家奖、2005年获中国优秀博士后称号、2010年获辽宁省自然科学一等奖、2012年获全国优秀科技工作者称号。发表SCI收录论文350多篇,授权发明专利100多项。

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