本刊記者 劉 佳

把潛力股做成績優(yōu)股
——上海交通大學(xué)吳國華團(tuán)隊的鎂合金之旅

本刊記者 劉 佳

吳國華在國際會議上做學(xué)術(shù)報告

在世界鎂合金研究領(lǐng)域，上海交通大學(xué)丁文江院士領(lǐng)導(dǎo)的輕合金精密成型國家工程研究中心（以下簡稱“輕合金中心”）是一個金字招牌，該研究中心發(fā)表的論文總數(shù)、發(fā)明專利擁有數(shù)、應(yīng)用部件開發(fā)數(shù)及開發(fā)能力均位居世界前列。

2014年4月，喜訊再次傳來，輕合金中心完成的“高強(qiáng)耐熱鎂合金材料及其在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)開發(fā)”項目榮獲2013年度上海市技術(shù)發(fā)明獎一等獎。這一次，項目的第一完成人是輕合金中心副主任吳國華教授。

鎂合金是潛力股

說起鎂合金的年齡，追溯到它的研究和應(yīng)用上，也有一百多年的歷史了。尤其是二戰(zhàn)期間，鎂合金在戰(zhàn)斗機(jī)上煥發(fā)了生命力。為什么軍方當(dāng)時會鐘情于鎂合金？最大的好處就是減重，因為輕量化可以大幅度提高武器裝備的戰(zhàn)技性能。那場戰(zhàn)爭，成了鎂合金發(fā)展的一個小高潮。人們積攢下大量有關(guān)鎂的生產(chǎn)與設(shè)計方面的知識。二戰(zhàn)結(jié)束后，鎂合金也開始涉足民用工業(yè)，但收效不大。這與鎂合金的局限性有關(guān)。從工藝上來看，鎂合金的研發(fā)嚴(yán)重滯后，不能適應(yīng)不同應(yīng)用場合的要求。

“鎂合金材料選擇范圍小、強(qiáng)度低、耐熱性差、凈化困難、成型性能差、工藝與裝備落后等缺點(diǎn)，嚴(yán)重阻礙了航天航空裝備的輕量化進(jìn)程和飛行指標(biāo)的提高。”吳國華介紹說。

與這個骨感的現(xiàn)實(shí)相比，鎂合金其實(shí)是一種理想的輕合金材料，從不畏懼與其它金屬比性能。論密度，鎂只有鋁的2/3，鋼的1/4；提比強(qiáng)度與比剛度，鎂合金的比強(qiáng)度在常用金屬結(jié)構(gòu)材料中名列第二位，僅次于鈦合金；而比剛度則排第一位。說減震，鎂的阻尼性絕對優(yōu)于鑄鐵。它的可屏蔽電磁頻率范圍較廣，切削力只有鋁合金和軟鋼的1/2。從資源儲量上來說，當(dāng)前世界，鐵鐵、鋁資源已趨于貧化，使用年限不超過300年；而鎂的使用壽命卻長達(dá)1000年，還能夠可再生循環(huán)利用。難怪鎂合金的研發(fā)即使存在瓶頸，仍被材料專家譽(yù)為“21世紀(jì)最具開發(fā)和應(yīng)用潛力的綠色工程材料”，成為先進(jìn)材料技術(shù)領(lǐng)域的競爭熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

鎂合金號稱最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。如果說，二戰(zhàn)時的數(shù)據(jù)還不夠完善。那么，到現(xiàn)在，材料輕量化所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和性能改善調(diào)研就要完整的多了。商用飛機(jī)與汽車減輕相同重量帶來的燃油費(fèi)用節(jié)省，前者是后者的近100倍；而戰(zhàn)斗機(jī)的燃油費(fèi)用節(jié)省又是商用飛機(jī)的近10倍，更重要的是其機(jī)動性能改善可以極大地提高其戰(zhàn)斗力和生存能力，具有重要戰(zhàn)略意義。試驗研究表明，航天飛行器每減重1g，節(jié)約發(fā)射燃料4kg；飛機(jī)減重1磅的經(jīng)濟(jì)效益：商用機(jī)為300美元，戰(zhàn)斗機(jī)為3000美元，航天器為30000美元。

“我們需要輕質(zhì)高強(qiáng)耐熱的鎂合金。”吳國華十分確定這一點(diǎn)。我國航天航空與國防工業(yè)早已制定了明確的輕量化目標(biāo)，如航空發(fā)動機(jī)推重比大于10，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低5%左右，殲擊機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)從32%～34%降至27%～28%，戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭單位側(cè)面積質(zhì)量小于30kg/m2，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕30%以上。而國外發(fā)達(dá)國家也非常重視高性能鎂合金的開發(fā)與應(yīng)用，如美國B-36轟炸機(jī)就使用了8600kg鎂合金零件。

可以說，無論是國際還是國內(nèi)，都將鎂合金視為輕合金材料中的潛力股。幾十年來，我國已經(jīng)成為鎂合金的資源、生產(chǎn)和出口大國，但我國現(xiàn)有鎂合金材料及其技術(shù)體系基本上仍沿襲上世紀(jì)五六十年代前蘇聯(lián)的體系，真正的國字號極少?！拔覈愋脱b備幾乎均比國外超重10%以上。采用常規(guī)的主干材料，如鋁合金和鋼，已很難進(jìn)一步減輕我國相關(guān)裝備的重量，而采用現(xiàn)有的鎂合金材料和加工工藝，可替代的鋁構(gòu)件和鋼構(gòu)件又非常有限?！闭J(rèn)清了形勢之后，吳國華團(tuán)隊決定走自給自足的路子。為此，國家航天重大專項、航空重大專項、“973”計劃、“863”計劃等課題均對吳國華團(tuán)隊的系列研究投入了相當(dāng)?shù)闹С帧?/p>

做中國的鎂合金

決定要做這個項目后，吳國華開始梳理頭緒。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，國外在軍用鎂合金方面仍然沿用上世紀(jì)開發(fā)的鎂合金如WE54、WE43等。如果我國也沿襲這個方向，只會落在人家后面。反復(fù)推敲之后，輕合金中心科研團(tuán)隊選定了“稀土”，把鎂-稀土（尤其是重稀土）系新型合金的強(qiáng)化、耐熱機(jī)制研究與成分作為項目的核心，希望能就此研制出一種高強(qiáng)耐熱鎂合金材料。那么，到底要怎么得到這種新型鎂合金材料呢？就得圍繞其成型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——純凈化、細(xì)晶化與組織調(diào)控、精密成型，進(jìn)行一系列的技術(shù)創(chuàng)新。

一個好的開始是成功的一半。定好基調(diào)后，整個團(tuán)隊開始了有條不紊的工作。從2002年6月1日，一直到2011年2月28日，他們用近9年的時光完成了一項項原創(chuàng)性的成果。

輕合金中心以我國富有的Gd、Y、Sm、RE等稀土元素（尤其是重稀土元素）為基礎(chǔ)，在合金化的過程中，研究了Mg-Gd-Y系鎂稀土合金的顯微組織和精細(xì)結(jié)構(gòu)，闡明了稀土鎂合金復(fù)合強(qiáng)韌化理論，確定了Mg-Gd-Y鎂合金時效析出序列，研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的Mg-Gd-Y高強(qiáng)耐熱鎂合金材料。這種高強(qiáng)耐熱鎂合金被他們命名為JDM2。其鑄造室溫抗拉強(qiáng)度大于400MPa、屈服強(qiáng)度大于350MPa、延伸率大于5%；300℃高溫抗拉強(qiáng)度大于265MPa、屈服強(qiáng)度大于210MPa、延伸率大于29%。

吳國華教授在試驗現(xiàn)場

“在Mg-Gd-Y-Zr 鎂合金的稀土合金化及強(qiáng)化機(jī)制等方面有重要創(chuàng)新，所研制的鎂合金材料達(dá)到了國際領(lǐng)先水平?！?005年12月，教育部組織的鑒定會上為“高強(qiáng)耐蝕變形鎂合金的研制”做了這樣的結(jié)論。

一出手就解決了耐熱性差和強(qiáng)度低的問題，輕合金中心科研團(tuán)隊并不認(rèn)為值得沾沾自喜，相反，他們前面的路還有很長。

而后，針對鎂合金易氧化燃燒、夾雜難以去除、稀土元素成分難以控制的特點(diǎn)，他們提出了鎂熔體中夾雜物加速傳遞模型、揭示了鎂熔體中稀土元素動態(tài)損耗機(jī)制。吳國華更是“集高強(qiáng)耐熱Mg-Gd-Y鎂合金精煉熔劑、除鐵除硅熔劑、鎂熔體凈化裝置、鎂合金熔體保護(hù)裝置于一體的復(fù)合凈化系統(tǒng)”的主要發(fā)明人?！斑@套系統(tǒng)第一次實(shí)現(xiàn)了鎂液中氧化夾雜的高效去除和稀土元素的燒損率控制，解決了鎂稀土合金純凈化的世界性難題。”這一點(diǎn)，在2010年10月的鑒定會上得到了證實(shí)。那場鑒定會的專家組由我國著名有色金屬專家左鐵鏞院士等組成，認(rèn)為吳國華團(tuán)隊的成果可以“實(shí)現(xiàn)10μm以上夾渣夾雜的高效去除，稀土元素的燒損率低于5%”。而此前，稀土元素的損耗率高達(dá)30%。

在細(xì)晶化與凝固組織調(diào)控方面，輕合金中心科研團(tuán)隊發(fā)明了鎂釓釔三元中間合金的制備方法與鎂合金熔煉的鋯復(fù)合餅細(xì)化劑。他們提出了電流與Zr聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，開發(fā)了鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法及裝置，有效調(diào)控了鎂合金熔體的預(yù)結(jié)晶組織與結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鑄態(tài)組織微細(xì)化和均質(zhì)化。

輕合金中心另一項值得稱道的工作，便是針對鎂合金化學(xué)活性強(qiáng)、成型過程中易與鑄型材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)甚至燃燒，以至鑄件表面質(zhì)量差、精度低的應(yīng)用瓶頸問題，發(fā)明了鎂合金金屬型鑄造涂料，創(chuàng)新了非占位式轉(zhuǎn)移涂料及涂層轉(zhuǎn)移制芯技術(shù)，開發(fā)了鎂合金砂型鑄造用樹脂自硬砂與樹脂砂砂型鑄造用阻燃劑，發(fā)明了鎂合金低壓鑄造坩堝的密封材料與鑄造升液管涂料，研制了鎂合金涂層轉(zhuǎn)移砂型精密低壓鑄造工藝。攻克了鎂合金鑄造充型過程中易氧化燃燒的難題，大幅度提高了鑄件的尺寸精度與表面質(zhì)量。而這些研究也被認(rèn)為是突破了大型復(fù)雜鎂合金鑄件的尺寸精度低、表面質(zhì)量差的瓶頸。

這是世界上首次實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜高強(qiáng)耐熱鎂合金部件制造，整個研發(fā)過程都備受關(guān)注。到項目結(jié)題，吳國華團(tuán)隊拿到了20余項發(fā)明專利，在高強(qiáng)耐熱稀土鎂合金材料、鎂熔體純凈化與細(xì)晶化、鎂合金精密成形技術(shù)、工藝裝備等應(yīng)用技術(shù)方面形成了自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)群。

到現(xiàn)在，他們發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文20余篇，論文引用次數(shù)677次，2009年10月舉辦的亞洲鎂合金大會上，他們的相關(guān)成果論文還被評為優(yōu)秀論文一等獎，引起了國際學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。

他們也實(shí)現(xiàn)了最初的理想——在技術(shù)上擺脫其他國家的影子，做真正的中國的鎂合金材料。

航天科技集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)來訪

有用是材料的靈魂

上海交通大學(xué)輕合金精密成型國家工程研究中心成立于2000年3月。半年后，吳國華就來到了這所輕合金中心進(jìn)行博士后研究。他，已經(jīng)算得上是輕合金中心的“老人”了。

這位江西學(xué)者的路線圖其實(shí)很集中。1981年9月，他考入合肥工業(yè)大學(xué)，1985年7月獲學(xué)士學(xué)位。1988年7月，獲得東南大學(xué)碩士學(xué)位后，在合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院任職。之后的九年，他勤勤懇懇，從一個小小的助教，逐漸晉為副教授和教研室主任。

心懷夢想的人總是覺得視野不夠開闊，吳國華也一樣，在安穩(wěn)靜好的日子里，他越來越覺得需要進(jìn)一步充實(shí)才能邁得開步子。1997年暑假之后，他沒有像往常一樣返校，而是坐上了去武漢的列車。在那里，他將在華中科技大學(xué)開始新一輪的求學(xué)。三年的時光，不長也不短，吳國華卻發(fā)現(xiàn)鎂合金研究其實(shí)別有洞天。拿到博士學(xué)位后，他沒有急著去落實(shí)職稱上的名分，反而選擇了再次出發(fā)。這一回，他的目的地是上海交通大學(xué)輕合金中心。

輕合金中心并不是憑空冒出來的。它的前身是上海交通大學(xué)材料學(xué)院有色合金教研室和鑄造研究所。從上世紀(jì)50年代到80年代初，教研室打響的是“交大鋁”的牌子。鎂合金，已經(jīng)是上世紀(jì)80年代初期之后的事了。從那時起，教研室逐步將研究重點(diǎn)從鋁合金轉(zhuǎn)移到鎂合金上，經(jīng)過十多年的積累，才得到國家發(fā)改委和上海交通大學(xué)的點(diǎn)頭，在2000年初成立了這所國家級的工程研究中心。這也意味著，輕合金研究所將邁入一個新的時代，一個關(guān)于鎂合金的時代。吳國華此時加入，可謂正逢其時。

“材料就是有用的物質(zhì)，有用是材料研究的靈魂，材料的研究如果不是瞄準(zhǔn)應(yīng)用，就不能算是在研究材料，所研究的具體問題，必須是來自于產(chǎn)業(yè)需求，再回到產(chǎn)業(yè)需求中去檢驗?！陛p合金中心現(xiàn)任主任丁文江院士說。

輕合金中心的人都很認(rèn)同這一點(diǎn)，他們向來以“發(fā)展鎂科技、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”作為研究目標(biāo)，吳國華自然也不例外?！案邚?qiáng)耐熱鎂合金材料及其在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)開發(fā)”系列項目開展之后，他瞄準(zhǔn)的就是鎂合金材料在航天航空、國防軍工、軌道交通、汽車等軍民領(lǐng)域的應(yīng)用前景都十分廣闊。

“上海交通大學(xué)研制成功了國家某重大專項的大型復(fù)雜高強(qiáng)耐熱鎂合金鑄件，該零件為型號的關(guān)鍵部件之一，材料力學(xué)性能尤其是高溫力學(xué)性能比現(xiàn)有鎂合金材料提高了近一倍，經(jīng)考核驗證滿足該重大專項的技術(shù)要求，拓展了鎂合金材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，具有重大的社會效益，為國防工業(yè)的發(fā)展做出了顯著貢獻(xiàn)。”北京某航天研究所在用戶報告上認(rèn)真地書寫道。

其實(shí)，類似的評價，吳國華團(tuán)隊收到了很多，在他們利用該項目為航天航空、國防工業(yè)配套了十余種、幾百件/套關(guān)鍵部件之后，中國航空集團(tuán)某研究所、上海某航天研究所等多家單位都為他們點(diǎn)了贊。

2009年8月，由總裝備部材料專家組組長才鴻年院士及清華大學(xué)柳百成院士等組成專家組對“面向未來xxxx的高性能鎂合金基礎(chǔ)研究”項目成果驗收，認(rèn)為他們的成果“為武器裝備的輕量化、建立中國特色的軍用高性能鎂合金技術(shù)體系等方面提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐?！?/p>

無獨(dú)有偶，有心人特意針對鎂合金應(yīng)用做了檢索和查新，結(jié)果顯示：國內(nèi)外沒有發(fā)現(xiàn)采用如該項目這樣高強(qiáng)耐熱鎂合金在航天航空、國防軍工裝備上的應(yīng)用，他們是世界首創(chuàng)。

對于吳國華來說，國防應(yīng)用并非他們的終點(diǎn)，好的東西應(yīng)該與大家分享。在項目進(jìn)展過程中，上海交通大學(xué)以技術(shù)轉(zhuǎn)讓、入股或合資的形式與多家企業(yè)合作，將相關(guān)技術(shù)推廣應(yīng)用于汽車等民用領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計，從2010年至2012年，累計已實(shí)現(xiàn)新增產(chǎn)值13316萬元，新增利潤2633萬元，新增稅收1329萬元，新增節(jié)支總額1473萬元。

他們要讓鎂合金去適應(yīng)不同場合，從小眾走向大眾，從中國走向世界。這是吳國華的追求，也是整個團(tuán)隊的向往。他們有這個自信。