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破解米級(jí)金屬構(gòu)件成分偏析表征難題，鋼研納克OPA-1000問(wèn)鼎創(chuàng)新大獎(jiǎng)
近日，在第二十一屆北京分析測(cè)試學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)暨展覽會(huì)（BCEIA 2025）上，中國(guó)分析測(cè)試協(xié)會(huì)分析測(cè)試儀器創(chuàng)新獎(jiǎng)（原“BCEIA金獎(jiǎng)”）隆重頒發(fā)，共有9款儀器斬獲殊榮。其中，鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司“OPA-1000全自動(dòng)超大尺寸金屬構(gòu)件原位分析儀”榜上有名。
那么，OPA-1000究竟有哪些核心創(chuàng)新？它解決了什么實(shí)際難題？背后又有怎樣的研發(fā)故事？?jī)x器信息網(wǎng)在頒獎(jiǎng)后的第一時(shí)間專(zhuān)訪(fǎng)了鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司。
儀器信息網(wǎng)：請(qǐng)介紹“OPA-1000全自動(dòng)超大尺寸金屬構(gòu)件原位分析儀”的研發(fā)背景、技術(shù)突破點(diǎn)，以及其在自動(dòng)化、檢測(cè)精度、適用尺寸等方面的核心優(yōu)勢(shì)。
鋼研納克：在航空航天、軌道交通、能源裝備等國(guó)之重器領(lǐng)域，航空高溫合金渦輪盤(pán)、高鐵車(chē)輪與車(chē)軸、核電主管道等大尺寸金屬構(gòu)件，是支撐重大工程安全運(yùn)行的 “核心骨架”，其材料均勻性直接決定裝備服役壽命與可靠性。然而，這類(lèi)構(gòu)件在冶煉、鍛造等制備過(guò)程中，易因溫度梯度、選分結(jié)晶等產(chǎn)生多尺度成分偏析――合金元素在不同區(qū)域的含量差異若超過(guò)閾值，會(huì)直接導(dǎo)致構(gòu)件性能劣化，成為引發(fā)核心部件失效的關(guān)鍵誘因，對(duì)重大工程安全構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。
2017年之前，國(guó)內(nèi)外尚未形成針對(duì)大尺寸金屬構(gòu)件成分偏析的“原位定量表征技術(shù)體系”，行業(yè)長(zhǎng)期面臨質(zhì)量評(píng)價(jià)瓶頸：傳統(tǒng)低倍觀(guān)察、酸浸硫印僅能定性判斷宏觀(guān)缺陷，無(wú)法量化成分差異；多點(diǎn)取樣化學(xué)分析（取數(shù)克至小塊樣品）受“以點(diǎn)代面”局限，難以反映構(gòu)件全域成分分布，與實(shí)際偏析情況存在顯著偏差；即便發(fā)射光譜、碳硫氧氮元素分析、質(zhì)譜等現(xiàn)代技術(shù)可實(shí)現(xiàn)小區(qū)域元素分析，也無(wú)法突破“大尺寸構(gòu)件直接原位檢測(cè)”的技術(shù)壁壘。在重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)的支持下，公司首席專(zhuān)家賈云海帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)攻關(guān)突破系列技術(shù)瓶頸，成功研制出首臺(tái)米級(jí)OPA-1000全自動(dòng)超大尺寸金屬構(gòu)件原位分析儀。該系統(tǒng)創(chuàng)新性集成表面精密加工、米級(jí)范圍精準(zhǔn)掃描定位、多元素偏析定量分析與夾雜物表征四大核心功能，單次檢測(cè)表面尺寸可達(dá)1000mm×500mm，從根本上破解了高鐵動(dòng)車(chē)組車(chē)輪/車(chē)軸、航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)坯鍛件、核電及超超臨界火電管道等超大尺寸核心構(gòu)件的全域成分分布與夾雜物分布表征難題，填補(bǔ)了大尺寸金屬構(gòu)件原位定量檢測(cè)的技術(shù)空白。
儀器信息網(wǎng)：該產(chǎn)品主要面向哪些應(yīng)用領(lǐng)域？能否結(jié)合具體案例，說(shuō)明其在實(shí)際使用中解決的問(wèn)題？此外，該儀器對(duì)相關(guān)行業(yè)技術(shù)提升或標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展帶來(lái)了哪些積極影響？
鋼研納克：在重大裝備核心部件質(zhì)量評(píng)價(jià)與高端材料研發(fā)領(lǐng)域，超大尺寸金屬構(gòu)件原位分析儀已形成規(guī)?；瘧?yīng)用，成為保障國(guó)之重器質(zhì)量的“關(guān)鍵利器”。在高鐵領(lǐng)域，該儀器對(duì)國(guó)產(chǎn)的高鐵車(chē)輪軸開(kāi)展全域表征與綜合評(píng)價(jià)，為國(guó)產(chǎn)高鐵車(chē)輪軸服役安全提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；在能源裝備領(lǐng)域，采用超大尺寸金屬構(gòu)件原位分析技術(shù)全域表征材料成分分布，顯示出國(guó)產(chǎn)鋼管及管坯各元素統(tǒng)計(jì)符合度超95%，無(wú)明顯偏析，彰顯國(guó)產(chǎn)高端管材的質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)力；在航空航天領(lǐng)域，GH4169高溫合金渦輪盤(pán)坯鍛件開(kāi)展全面偏析度分析，揭示三聯(lián)工藝下各元素成分分布規(guī)律，為高溫合金材料工藝優(yōu)化提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。
作為重大技術(shù)裝備，超大尺寸金屬構(gòu)件原位分析儀填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外超大尺寸金屬材料成分偏析與夾雜物原位定量表征的技術(shù)空白，實(shí)現(xiàn)了大型金屬構(gòu)件質(zhì)量控制從“經(jīng)驗(yàn)推斷”到 “數(shù)據(jù)洞察”的跨越。它突破傳統(tǒng)“小樣檢測(cè)”的局限，首次達(dá)成對(duì)米級(jí)超大構(gòu)件成分偏析與夾雜物的“全域覆蓋、原位檢測(cè)、定量統(tǒng)計(jì)”，大幅提升了大型構(gòu)件質(zhì)量控制精度與服役可靠性，為高端材料研發(fā)與工藝迭代提供了核心支撐，成為材料基因工程研究的關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)，加速了高端戰(zhàn)略材料的研發(fā)進(jìn)程。
超大尺寸金屬構(gòu)件原位分析儀推動(dòng)了大尺寸金屬構(gòu)件質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的體系性升級(jí) ―― 促使行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)從傳統(tǒng)“宏觀(guān)允許偏差”的定性要求，向“微觀(guān)統(tǒng)計(jì)量化”的精準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變，催生了基于偏析度模型的全新質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。截至目前，儀器已支撐發(fā)布7項(xiàng)團(tuán)體及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為大尺寸金屬構(gòu)件原位分析方法奠定了標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)，為我國(guó)高端裝備核心部件的質(zhì)量安全構(gòu)筑了“技術(shù)屏障”，有力支撐了大國(guó)重器的自主可控發(fā)展。
儀器信息網(wǎng)：在OPA-1000的研發(fā)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)遇到了哪些技術(shù)或工程層面的挑戰(zhàn)？是如何克服這些難題的？是否有某些關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自主突破？
鋼研納克：在OPA-1000的研發(fā)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)面臨了多項(xiàng)嚴(yán)峻的技術(shù)與工程挑戰(zhàn)，并通過(guò)自主創(chuàng)新成功攻克，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的自主突破：
1）高穩(wěn)定激發(fā)光源技術(shù)：傳統(tǒng)火花光源長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性差。團(tuán)隊(duì)通過(guò)高低壓隔離抗干擾設(shè)計(jì)、自主研發(fā)單脈沖采集技術(shù)和PMT負(fù)高壓PWM供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了亞微秒級(jí)精度控制，使光源可連續(xù)穩(wěn)定工作超過(guò)17小時(shí)。
2）大尺寸精密加工與分析的集成難題：需在米級(jí)構(gòu)件上實(shí)現(xiàn)無(wú)水、無(wú)振動(dòng)、無(wú)熱損傷的精密加工和高精度光譜掃描。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性的采用了倒置激發(fā)結(jié)構(gòu)與高壓氣冷吹掃與磁力吸屑技術(shù)，并開(kāi)發(fā)了三軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)自診斷系統(tǒng)，解決了加工振動(dòng)影響測(cè)量、高速銑削與低速掃描的矛盾，實(shí)現(xiàn)了“加工-定位-分析”一體化無(wú)縫銜接。
3）海量數(shù)據(jù)高速處理與可視化：米級(jí)掃描產(chǎn)生GB級(jí)光譜數(shù)據(jù)，處理效率低下。團(tuán)隊(duì)采用基于GPU的CUDA并行算法，將數(shù)據(jù)處理時(shí)間從小時(shí)級(jí)縮短至秒級(jí)，并通過(guò)云計(jì)算實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程處理與本地可視化，攻克了超大尺寸成分與夾雜物分布可視化表征的難題。
4）統(tǒng)計(jì)表征模型與標(biāo)準(zhǔn)缺失：國(guó)際上缺乏大尺寸成分偏析的定量評(píng)價(jià)方法。團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了成分偏析度（Ds）及最大偏析度（Ds(max)）統(tǒng)計(jì)模型，建立了完整的數(shù)學(xué)表征方法和判定標(biāo)準(zhǔn)，為行業(yè)提供了科學(xué)統(tǒng)一的量化評(píng)價(jià)依據(jù)。這些技術(shù)全部為自主突破，形成了16項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利（含3項(xiàng)國(guó)際專(zhuān)利）及2項(xiàng)軟件著作權(quán)，實(shí)現(xiàn)了該領(lǐng)域從儀器到方法、標(biāo)準(zhǔn)的全面自主可控。
儀器信息網(wǎng)：此次獲得“分析測(cè)試儀器創(chuàng)新獎(jiǎng)”，對(duì)貴司而言有何重要意義？您認(rèn)為這一獎(jiǎng)項(xiàng)對(duì)推動(dòng)國(guó)產(chǎn)分析儀器技術(shù)創(chuàng)新和行業(yè)進(jìn)步具有哪些作用？
鋼研納克：此次榮獲“分析測(cè)試儀器創(chuàng)新獎(jiǎng)”，對(duì)鋼研納克而言具有非常重要意義：
首先，這是對(duì)OPA-1000技術(shù)原創(chuàng)性與工程落地能力的行業(yè)認(rèn)可。該獎(jiǎng)項(xiàng)表明我們的“全域、原位、統(tǒng)計(jì)”分析理念和一體化集成設(shè)計(jì)得到了權(quán)威界的充分肯定，證明了國(guó)產(chǎn)儀器有能力在高端細(xì)分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新，極大增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)持續(xù)創(chuàng)新的信心與決心。
其次，獎(jiǎng)項(xiàng)是推動(dòng)市場(chǎng)信任與行業(yè)合作的“催化劑”。在高端分析儀器領(lǐng)域，用戶(hù)信任至關(guān)重要。這一權(quán)威獎(jiǎng)項(xiàng)為我們的產(chǎn)品提供了強(qiáng)大的品牌背書(shū)，有助于打破用戶(hù)對(duì)國(guó)產(chǎn)儀器的傳統(tǒng)疑慮，加速關(guān)鍵領(lǐng)域的示范應(yīng)用和商業(yè)化推廣。
更重要的是，獎(jiǎng)項(xiàng)凸顯了“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新的巨大價(jià)值。OPA-1000的研發(fā)源于團(tuán)隊(duì)的前沿科學(xué)構(gòu)想，最終通過(guò)與用戶(hù)單位的深度合作解決了真實(shí)產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)。此獎(jiǎng)項(xiàng)是對(duì)這一創(chuàng)新模式的成功驗(yàn)證。
對(duì)于推動(dòng)國(guó)產(chǎn)分析儀器技術(shù)創(chuàng)新和行業(yè)進(jìn)步，分析測(cè)試儀器創(chuàng)新獎(jiǎng)發(fā)揮著關(guān)鍵作用：
1）樹(shù)立標(biāo)桿，明確創(chuàng)新方向：它向全行業(yè)清晰地表明，解決國(guó)家重大需求、打破國(guó)際壟斷的“硬科技”創(chuàng)新才是值得追求的高價(jià)值方向，激勵(lì)更多企業(yè)和團(tuán)隊(duì)投身于高端儀器的自主攻關(guān)。
2）構(gòu)建信心，重塑產(chǎn)業(yè)生態(tài)：獎(jiǎng)項(xiàng)有力地證明了國(guó)產(chǎn)儀器不僅能做“替代”，更能實(shí)現(xiàn)“引領(lǐng)”，提振整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的信心，吸引更多資本、人才和政策資源向該領(lǐng)域匯聚，逐步重塑被進(jìn)口儀器主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)；
3）促進(jìn)協(xié)同，加速技術(shù)轉(zhuǎn)化：儀器公司、科研院所與終端用戶(hù)緊密協(xié)同，鼓勵(lì)更多儀器研發(fā)企業(yè)以用戶(hù)實(shí)際需求為導(dǎo)向的、貫穿“應(yīng)用基礎(chǔ)研究-技術(shù)開(kāi)發(fā)-工程化-產(chǎn)業(yè)化”的全鏈條創(chuàng)新，加速科技成果向現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化。
儀器信息網(wǎng)：貴司在產(chǎn)品技術(shù)迭代和市場(chǎng)推廣方面有哪些后續(xù)計(jì)劃？是否計(jì)劃基于OPA-1000進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域或開(kāi)發(fā)系列化產(chǎn)品？
鋼研納克：OPA-1000的成功研制只是一個(gè)起點(diǎn)，我們已制定了較為清晰的技術(shù)迭代與市場(chǎng)推廣戰(zhàn)略，并計(jì)劃基于此平臺(tái)進(jìn)行深度和廣度的拓展：1）提升OPA-1000平臺(tái)性能與應(yīng)用深度：更高精度與穩(wěn)定性，持續(xù)優(yōu)化激發(fā)光源、光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器的性能，追求更高的分辨率、更低的檢出限和更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以滿(mǎn)足更嚴(yán)苛的分析需求；更智能的軟件與算法，集成人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法，開(kāi)發(fā)能自動(dòng)識(shí)別缺陷和智能優(yōu)化工藝的專(zhuān)家系統(tǒng)，從“提供數(shù)據(jù)”升級(jí)為“提供解決方案”。2）開(kāi)發(fā)系列化產(chǎn)品以覆蓋更廣闊市場(chǎng)：基于OPA-1000的核心技術(shù)模塊，開(kāi)發(fā)不同尺寸、不同配置的系列產(chǎn)品，以及為特定行業(yè)開(kāi)發(fā)定制化解決方案。
對(duì)于市場(chǎng)推廣與應(yīng)用領(lǐng)域拓展計(jì)劃，深化現(xiàn)有戰(zhàn)略市場(chǎng)，繼續(xù)深耕“重大工程的核心領(lǐng)域，與龍頭企業(yè)建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室或示范應(yīng)用中心，將OPA-1000深度嵌入其研發(fā)和質(zhì)量管控體系，成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置；開(kāi)拓新興關(guān)鍵領(lǐng)域，積極拓展新的應(yīng)用場(chǎng)景，如新能源領(lǐng)域中用于檢測(cè)風(fēng)電主軸、氫能壓力容器等大型關(guān)鍵部件的成分均勻性的表征等；除了直接銷(xiāo)售儀器，我們還將拓展“檢測(cè)服務(wù)”和“數(shù)據(jù)解決方案”業(yè)務(wù)。通過(guò)建立中心實(shí)驗(yàn)室或與合作伙伴共建網(wǎng)絡(luò)，為更多企業(yè)提供高端檢測(cè)服務(wù)，同時(shí)利用積累的海量數(shù)據(jù)為客戶(hù)提供工藝優(yōu)化和質(zhì)量提升的咨詢(xún)方案。
