“望天涯海角回忆处/忽易寒暑/脉脉心情谁诉；秋风时节聊寄语/勤餐饭/念旧居。”这是李薰在英国留学期间，随身皮夹中始终珍藏着的一张妻女小照背面上他写的一首小诗，印证了他当时对祖国的眷恋之情。

    1950年，李薰获谢菲尔德大学冶金学博士学位后，正值华年，成名英国，人们私下预言，这颗新星将在大不列颠的科学天空里大放光彩。某些英国同行向李薰一再暗示，倘若他加入英国国藉，前程会青云直上。李薰明确地回答：“我永远是中国人。”他内心常常自问：何日是归期？不久，李薰收到一封祖国的来信，拆开一看，顿时热泪盈眶。信的内容是中国科学院院长郭沫若邀他回国组建金属研究所。

    祖国的万金家书，让他夜不能寐，四处奔走串连，寻找在英的中国科学家和留学生，共商归国大计。但是，当时朝鲜半岛战火已起，中英互为敌国，英国政府迟迟不发签证，一拖好几个月过去了。最后还是李薰想出个办法，要求到英国租借地香港旅行。几经辗转，1951年秋，这个离国14年的游子终于回来了。

    中国科学院决定建立金属研究所，任命李薰为筹备处主任。1953年4月10日，周恩来总理亲自签署任命通知书，任命他为所长。

    金属研究所是中国科学院成立后新建的第一个大型研究所。一个应用科学研究所应该怎样确定它的工作方针呢？李薰有一个基本的指导思想：国家拿出这么多钱来建立这个研究所，应当给经济建设解决实际问题。也就是他常说的一句话：“不要当‘波斯猫’，供人玩赏不捉耗子。我们要给国家‘捉耗子’。”共和国恢复和建设急需钢铁的呼声始终回荡在李薰的脑海中。他决定以冶炼、燃料、耐火材料为金属所主要研究方向。研究所选址时，他考虑，中国重工业基地在东北，选址当以沈阳为宜。1951年冬，李薰等一行到沈阳南郊，在一片荒地上，历时年余建起中国科学院金属研究所。同时，广泛罗致人才，除了邀请留英学者张沛霖、张作梅、庄育智、方柄、罗俊等一同回国创业外，还先后争取到从美国和欧洲回国的学者葛庭燧、何怡贞、师昌绪、郭可信、斯重遥、吴鼎铭等来金属所任研究员，这些专家日后均在各自开拓的学术领域作出了卓越贡献。

    金属研究所成立后，李薰主要抓三方面工作：一是接受国家任务，二是指导耐火材料研究室为鞍钢炼钢平炉强化冶炼过程，三是研究提高钢质量,开拓了冶金过程物理化学研究。例如，与大连钢厂合作，在国内首先实现电炉氧气炼钢；与鞍钢合作，从压力加工到热处理，研究改进钢板、钢轨质量。

    上世纪50年代末，李薰审时度势，引导金属研究所在研究方向上作出较大转变。他认定发展高温合金和高强度材料是主要方向，于是在所内迅速组织力量成立了高温合金、难熔金属、金属陶瓷、表面涂层等研究小组;同时也加强了合金钢的力量;为配合我国核技术的发展，成立了铀合金研究组。不久，这些研究组又被拓展为研究室。自此，新材料的研究与开发成为金属研究所最主要的研究领域。在较短的时间内，成效显著，金属研究所为中国成功地爆炸第一颗原子弹、发射第一枚重返地面的人造地球卫星、造出第一架超音速喷气飞机、建成第一艘核潜艇等，成功地研制出某些关键材料，作出了重要贡献。

    在当时物质极其匮乏的条件下，科研条件也十分艰苦，李薰与同志们一起日以继夜、成年累月地在试验室内熬煎，不断交替品尝着失败的辛苦和成功的喜悦。脑汁的绞损，试验的劳乏，使李薰面容消瘦，颧骨突起，两鬓斑白，他却全然不知，依然和科研人员一起，战斗在第一线上。经过五年艰苦奋斗，终于完成了中国科学院下达给金属研究所一项有关核燃料元件生产流程与定型的紧急任务。这一任务，全部达到并部分超过苏联的工艺标准。经过全面鉴定，正式投入生产。轰然升腾的蘑菇云，在高空向全世界宣告：中国第一颗原子弹试爆成功了！为打破美苏核垄断作出了自己贡献的金属所，掀起一片欢乐的波浪。而李薰却诙谐地说：“我们又给国家‘捉’住一只‘耗子’。”

    “文化大革命”中，李薰两次进“牛棚”。1969年9月，李薰被“三结合”增补为金属研究所革命委员会副主任，主持科研工作。他虽处自身不保的境遇，仍千方百计保护金属研究所的科技人员。他冒着重进“牛棚”的风险，以承担国防重点军工任务的名义，把遣送到农村插队落户的科技人员一批一批抽调回所，避免了人才流失，保存了金属研究所的科研实力。

    1972年，李薰受中国金属学会的委派，率团赴巴黎参加国际学术会议。回国之后，他急切地奔走于有关部门，建议把科研机构整顿好，尽快把科研工作搞上去。他的呼吁声在大批判的浩大声势中，如浪花般被巨浪吞没。在“反击右倾翻案风”的运动中，他再次被打倒，被批判。尽管一张张大字报骇人醒目，一阵阵讨伐声不绝于耳，但此时的李薰为了科学强国的理想，已经将个人的荣辱安危置之度外。他始终坚持自己的信念，实事求是，科学严谨，不趋炎附势，不随波逐流。几番炉火他早已练就了钢一样的品格。

    1978年全国科学大会召开，李薰被评为全国先进科技工作者。在科学的春天里，李薰被平反昭雪。1979年7月，李薰被任命为中国科学院沈阳分院院长，党组副书记。他以一个科研领导者的独到眼光与魄力，破格提拔启用了蒋新松、孙大正等刚刚摘帽的“右派分子”，让他们分别担任了沈阳自动化研究所副所长和沈阳科学仪厂副厂长的职务，一年后，又将蒋新松晋升为沈阳自动化研究所所长，孙大正晋升为沈阳科学仪器厂厂长。

    1981年11月，李薰亲自到沈阳主持对沈阳自动化所海洋机器人研究课题的评议会。他在听取蒋新松所长的汇报后，明确表态说：“沈阳自动化所要‘下海’为海洋服务，搞智能机器人在海洋中的应用研究”。他还果断地说:“我们既要上九天揽月，也要下五洋捉鳖。”李薰的意见，得到参加评议的五位学部委员的一致赞同。评议结果认为，海洋机器人研究是一个多学科综合性的研究课题，对国民经济和国防建设具有重要意义。建议项目名称应改为“智能机器人在海洋中的应用研究”。1983年该课题正式列为中科院重点课题，为水下机器人的研究开发奠定了基础。

    1983年3月20日，李薰在考察攀钢等冶金企业行经昆明时，不幸病逝，享年70岁。