传统钢铁冶金自青铜时代以来始终遵循“矿石→烧结→高炉炼铁→转炉炼钢→铸锭→热轧/冷轧→机加工”这条长达数个世纪的多段式链条。这不仅决定了全球钢铁工业每年排放约36亿吨CO₂的超高碳足迹，也意味着从矿石到最终零件需要数周到数月的时间。如今，这条千年不变的路线被彻底改写——国际团队联合证明了“矿石直接增材制造零件”的可能，不锈钢的制备路径首次被压缩为“一步”。

一步成形：直接从混合氧化物到近净成形不锈钢零件

近日，中国昆明理工大学真空冶金国家工程研究中心、美国犹他大学等国际合作团队在Nature Portfolio旗下期刊《npj Advanced Manufacturing》发表突破性研究，论文题目为《Hydrogen-based ore-to-part manufacturing of near-net-shape stainless steel》。

研究团队以Fe₂O₃、Cr₂O₃、NiO和MoO₄的混合氧化物粉末作为原料，通过增材制造结合氢气烧结，在1300°C下实现自铁、铬、镍、钼至钼氧化物在内的所有组分的完整原位还原，获得了致密、无裂纹的块体合金，实现了直接制备近净成形奥氏体不锈钢零件。这是全球首次从矿石直接近净成形金属零件的成功展示。

技术验证：致密合金与铬钼还原的双重突破

该技术的核心挑战在于：氧化物中多种合金元素(特别是铬和钼)的还原温度与动力学差异极大。奥氏体不锈钢中约18%铬含量依赖氧化铬(Cr₂O₃)的完全还原，但常规氢还原条件下难以实现。研究团队通过热力学计算阐明了共还原机理和合金化路径，证明了各氧化物之间的协同作用可推动还原温度向低温窗口移动，使铬和钼在零件内部实现均匀分布。烧结后的零件在保持几何精度的同时，经历了合理的体积收缩，证明了该工艺从氧化物混合到致密合金的可行性。

如何颠覆钢铁：全面绕开高炉-转炉-热轧三条长链

传统不锈钢制造涵盖采矿、烧结、高炉炼铁、转炉炼钢、精炼、连铸、热轧、冷轧、零件机加工等十余个环节，总耗时数周至数月，碳排放超过2吨CO₂/吨钢，能耗占全球总能耗约8%。氢基“矿石到零件”技术利用氢的还原能力处理矿石，同时在氢还原烧结过程中将钢材成型为近净几何形状，有效绕过了多个高能耗中间步骤，碳排放大幅降低至每吨钢约0.2吨CO₂，较传统流程减少约90%，并基本消除硫氧化物、氮氧化物及粉尘排放。同时，省去铸造、热轧和机加工，预计缩短制造周期达80%以上，使分布式按需制造成为可能。

从海洋工程到航空航天

该工艺在需要复杂形状、高耐腐蚀性不锈钢零件的多个高端制造领域具备颠覆性应用潜力。在航空航天高温结构件和海洋工程耐压壳体等场景中，该技术可越过传统铸造热轧流程，直接成形定制化的高性能构件;在高端医疗植入物和微反应器等领域，基于该技术可快速迭代特定镍基或铬基合金，显著缩短临床转化周期。随着过程监控系统、实时光谱分析及AI驱动优化的集成，该方法已展现出向规模化工业扩展的坚实基础。

重塑全球不锈钢供应链版图

该突破不仅在技术层面重新定义了金属零件制造的起点，更可能从根本上重塑全球不锈钢供应链的版图。传统钢铁工业高度依赖特定矿区的高品位矿石、集中的大型冶炼产能、全球化的热轧板物流网络。一旦“矿石直接到零件”技术拓展到规模化应用，制造业中心的定位可能从“靠近高炉和港口”转向“靠近增材制造能力”，形成更短、更灵动的分布式制造网络。

昆明理工大学材料科学与工程学院作为主要参与单位，依托真空冶金国家工程研究中心在该领域的深厚积淀，为该突破提供了关键技术支撑。正如论文所言，该技术可“最大限度地减少下游加工(如轧制、锻造和机加工)相关的排放和交付周期，为脱碳化钢铁制造开辟了新路径”。随着氢能经济的持续扩张，利用可再生能源生产的绿色氢气将冶金与清洁能源系统更紧密地结合，使“全生命周期近零碳不锈钢零件”从实验室迈进现实。