本刊記者 玲 犀

： 在您及團隊幾十年不斷研發(fā)、探索和發(fā)明中，鎂的易腐蝕、強度低和難變形等一系列難題被“一網(wǎng)打盡”，鎂及鎂合金性能不斷提升，讓波音公司、美國通用汽車等許多國際巨頭心甘情愿求助于中國“鎂”。在這個過程中，團隊主要經(jīng)歷了哪些重要的研究歷程，在鎂及其合金的研制中取得了哪些突破?

丁文江：我第一次看到鎂，是在1985年。當(dāng)時，一位前輩突然打電話過來，說“鋁燒起來了，你趕緊過來看下”，我頓時感到很訝異，因為鋁的燃點是1800多℃，一般條件下不可能燒起來的。取樣回來檢驗后，才發(fā)現(xiàn)燒起來的這種金屬原來是鎂。

鎂來自桑塔納汽車的生產(chǎn)線，那一年上海剛剛引進這一款德國汽車，人們對其中應(yīng)用的材料并不熟悉。在陸續(xù)走訪了國內(nèi)與材料有關(guān)的各大研究機構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)竟然還沒有專門研究鎂的組織和個人。當(dāng)時鎂研究在中國，幾乎是空白！而德國人早已經(jīng)將其用在汽車制造上了。所以我深刻認(rèn)識鎂這種元素其實是偶然的。

鎂合金是目前實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂的密度約為鋁密度的2/3，鋼鐵密度的1/4， 具有較高的比強度和比剛度、良好的阻尼減振性能、優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能及良好的電磁屏蔽性能，機加工性能也優(yōu)于鋁合金，而且我國是鎂資源大國。我經(jīng)過深思熟慮后，決定要做中國鎂材料研究的開拓者！意識到一旦可以將鎂應(yīng)用于工業(yè)制造，大量部件將比用鋼或者鋁制造輕很多，這也就意味著能耗的極大降低。從此之后，我全力投身這一領(lǐng)域，一干就是30多年。

首先面臨的是解決上海大眾桑塔納轎車鎂合金變速箱鑄造生產(chǎn)過程中鎂合金熔煉的燃燒問題， 我們針對普通鎂合金熔劑失效快和有毒氣體排放嚴(yán)重的缺點，采用低溫添加高溫發(fā)泡劑的工藝，發(fā)明了鎂合金熔煉阻燃覆蓋劑，攻克了鎂合金熔煉過程中易于燃燒的難題，取代進口熔劑在轎車變速箱殼體生產(chǎn)中獲得應(yīng)用，為其國產(chǎn)化作出了重要貢獻。

鎂合金的燃點低，常規(guī)鎂合金的燃點僅520℃，遠(yuǎn)低于合金熔點，所以生產(chǎn)過程中極易燃燒。我課題組針對鎂合金易氧化、易燃燒的問題，在國際上較早地開展阻燃鎂合金的研究，探明了鎂的高溫氧化膜生長微觀機制；通過添加稀土與鈣等元素，使高溫氧化膜致密化，把鎂合金燃點提高至935℃以上。使得大氣中無保護的鎂合金熔煉與生產(chǎn)成為可能，還顯著降低熔煉和生產(chǎn)過程中對環(huán)境的污染。

傳統(tǒng)鎂合金存在強度低、塑性差、耐熱性差及耐蝕性低等關(guān)鍵瓶頸問題。我們針對現(xiàn)有鎂合金強度低、耐熱性差的難點，以我國富有的Gd、Y、Sm、RE等稀土元素（尤其是重稀土元素）進行合金化的技術(shù)路線，發(fā)現(xiàn)了Mg-Gd-Y-Zr系合金中新的時效析出強化相β1，探明了Mg-Gd-YZr合金的時效析出序列以及高密度析出相垂直于鎂基面從而有效阻礙位錯運動的強化機制，并利用細(xì)晶、析出相和LPSO結(jié)構(gòu)的多因素復(fù)合強化作用開發(fā)了高強耐熱Mg-Gd-Y系鎂合金JDM。針對鎂合金強基面形變織構(gòu)導(dǎo)致各向異性和塑性差的難題，發(fā)現(xiàn)了稀土元素的偏聚能抑制基面滑移、促進非基面滑移，弱化了變形鎂合金織構(gòu)。建立了鎂稀土合金織構(gòu)調(diào)控原理，提高了合金變形能力及強韌性。在鎂合金腐蝕機理研究方面，發(fā)現(xiàn)了鎂合金腐蝕的電位差效應(yīng)，通過添加稀土元素降低了基體與強化相電位差，并形成致密腐蝕保護膜，從而大幅度提高了鎂合金的耐蝕性。

鎂熔體純凈化較為困難，針對鎂合金易氧化燃燒、夾雜難以去除、稀土元素成分因損耗而難以控制的特點，發(fā)明了集鎂合金精煉熔劑、鎂熔體凈化裝置、鎂合金熔體保護裝置于一體的復(fù)合凈化系統(tǒng)，實現(xiàn)了鎂液中氧化夾雜與雜質(zhì)元素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難題。在細(xì)晶化與凝固組織調(diào)控方面，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，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)，實現(xiàn)鑄態(tài)組織微細(xì)化和均質(zhì)化。

針對鎂合金化學(xué)活性強、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。

：您一直認(rèn)為“有用是材料研究的靈魂”，并在輕合金研究方面始終堅持“瞄準(zhǔn)應(yīng)用”的理念。為了實現(xiàn)鎂材料高強度、強耐腐蝕性能等與其可加工性的有機結(jié)合，您的團隊主要做了哪些工作？

丁文江：我對材料科研提出了16字的學(xué)術(shù)思想，即“寓精于料，料要成材，材要成器，器要有用”，我一直主張“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”。圍繞著這樣的理念，我多次強調(diào)材料學(xué)研究必須追求“有用”，基礎(chǔ)研究必須服務(wù)工程科學(xué)研究，再用科技成果轉(zhuǎn)化獲得的收益反哺基礎(chǔ)研究。為了貫徹“科研瞄準(zhǔn)應(yīng)用”的理念，我先后創(chuàng)建了“輕合金精密成型國家工程研究中心” 和“上海市鎂材料應(yīng)用研究工程中心”。與國內(nèi)外企業(yè)建立了廣泛的科研合作關(guān)系，包括美國通用汽車公司、美國波音飛機公司等。

為了實現(xiàn)鎂合金材料的高性能與其可加工性的有機結(jié)合，我們在材料開發(fā)的同時，注重其加工技術(shù)的開發(fā)。例如，我們基于中國優(yōu)勢資源鎂與稀土，開發(fā)高性能鎂稀土合金材料的同時，也開展了鎂稀土合金熔體復(fù)合處理、鎂稀土合金鑄造成型、鎂稀土合金塑性成形、鎂稀土合金腐蝕與防護等技術(shù)研究與開發(fā)。

首先以開展鎂-稀土（尤其是重稀土）系新型合金的強韌化、微觀機理與組織演變、耐熱機制研究與成分設(shè)計為核心，研制出具有國際領(lǐng)先水平的新一代高性能鎂稀土合金材料；在此基礎(chǔ)上，圍繞該類合金的成形關(guān)鍵環(huán)節(jié)（純凈化、細(xì)晶化與組織調(diào)控、精密成形）進行一系列技術(shù)創(chuàng)新，突破其材料制備、精密成形與表面防護處理等關(guān)鍵工藝與技術(shù)瓶頸，形成從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究到技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品應(yīng)用及工程化的全流程研發(fā)體系。采用系列原創(chuàng)性工藝、技術(shù)與裝備，開發(fā)出大型復(fù)雜軍用關(guān)鍵重要部件，實現(xiàn)在國家航天、航空等關(guān)鍵重要部件上的應(yīng)用。以軍用為主，輻射民用，實現(xiàn)軍民融合，促進汽車、軌道交通、通訊等民用領(lǐng)域的輕量化及我國鎂與稀土工業(yè)的發(fā)展。這些年，我們團隊已授權(quán)發(fā)明專利150余件，并已經(jīng)將相關(guān)技術(shù)成功轉(zhuǎn)移給10余家企業(yè)。

：目前鎂合金在航空制造領(lǐng)域主要有哪些應(yīng)用，還面臨哪些挑戰(zhàn)？其未來幾年的研究熱點以及發(fā)展方向如何？

丁文江：航空領(lǐng)域?qū)Σ牧陷p量化提出了迫切需求，就航空器而言，材料輕量化帶來的經(jīng)濟效益和性能改善十分顯著。鎂合金的應(yīng)用能夠帶來巨大的減重效益和飛行器技術(shù)指標(biāo)的顯著提升。商用飛機與汽車減重相同重量帶來的燃油費用節(jié)省，前者是后者的近100倍，而戰(zhàn)斗機的燃油費用節(jié)省又是商用飛機的近10倍，更重要的是其機動性能改善可以極大提高其戰(zhàn)斗力和生存能力。戰(zhàn)斗機重量若減輕15%，則可縮短飛機滑跑距離15%，增加航程20%， 提高有效載荷30%；噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)減重1kg，飛機結(jié)構(gòu)可減重4kg，升限高度可提高10m。

鎂合金在航空領(lǐng)域主要用于制造直升飛機、轟炸機、發(fā)動機、導(dǎo)彈等軍用裝備的零部件。鎂鑄件在直升機發(fā)動機結(jié)構(gòu)質(zhì)量比中占2%，主要應(yīng)用于變速系統(tǒng)殼體和減速機匣的制造，這樣可以使旋翼獲得更大的升力。UH60“黑鷹”直升機、CH47“支努干”直升機以及AH64“阿帕奇”武裝直升機的變速箱均采用ZE41鎂合金鑄件。由美國貝爾直升機公司和意大利阿古斯塔公司聯(lián)合研制的BA609 雙發(fā)側(cè)旋翼直升機（軍民兩用），其傳動變速箱為WE43 鎂合金鑄件，單件質(zhì)量達(dá)到12kg。此外，Elektron 21鎂合金用于新型AH-64 Block III “阿帕奇”直升機和AW169“阿古斯塔-韋斯特蘭”直升機，使得其可以在更高馬力和更高溫度下使用。Elektron WE43和Elektron 21鎂合金應(yīng)用于歐洲戰(zhàn)斗機的輔助推進裝置（APUs）、恒速驅(qū)動裝置（CSDs）、機身附件傳動系統(tǒng)（AMADs）和發(fā)動機變速箱。在F-22、 F-35、 F-16 戰(zhàn)斗機和歐洲臺風(fēng)戰(zhàn)斗機上也有應(yīng)用。

鎂合金在飛機發(fā)動機上也具有一定的應(yīng)用。全球鷹無人機配裝的羅-羅公司AE-3007發(fā)動機的中介機匣采用ZE41鎂合金鑄件，F(xiàn)-16、F-18、 F-22 等飛機采用的附件傳動系統(tǒng) AMAD的殼體多為ZE41鎂合金鑄件，F(xiàn)-16和飛機配裝的F-119發(fā)動機變速箱殼體均為WE43鎂合金鑄件，F(xiàn)-18飛機配裝的F-110發(fā)動機附件機匣以及F-22飛機配裝的F-119發(fā)動機變速箱殼體也均為WE43鎂合金鑄件。

盡管鎂合金在航空領(lǐng)域取得了一定程度的應(yīng)用，但耐蝕性差和易燃燒的特點限制了其應(yīng)用范圍。由于鎂合金耐蝕性差，在沿海、濕熱以及大氣污染較嚴(yán)重地區(qū)，鎂合金材料容易受到腐蝕而導(dǎo)致零部件損壞。此外，航空發(fā)動機中鎂合金構(gòu)件，因摩擦可能產(chǎn)生細(xì)小鎂屑，在高溫環(huán)境中極易著火。鎂合金燃點低，接觸燃?xì)鈺r也容易著火。因此歐洲CS-E標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)仔細(xì)評定發(fā)生鎂火的可能性，并表明鎂火限制在發(fā)動機內(nèi)部而不會導(dǎo)致危險性影響。以上適航條款和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均表明鎂合金需要采取可靠的措施，提高耐蝕性和耐熱性，才能在航空發(fā)動機使用進一步推廣應(yīng)用。

縱觀世界鎂合金發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，鎂合金在應(yīng)用過程中仍存在著一些重大缺陷，尚存在強度低、韌性差、耐熱性低、抗蝕性差等關(guān)鍵瓶頸，制造復(fù)雜部件的成形工藝與裝備也相對落后，無法滿足航空領(lǐng)域重要裝備主承力結(jié)構(gòu)件的使用要求，嚴(yán)重制約著鎂合金的進一步推廣應(yīng)用。我國在航空領(lǐng)域采用的鎂合金部件仍屈指可數(shù)，這主要受制于我國在鎂合金的先進加工應(yīng)用技術(shù)上的創(chuàng)新不夠，而先進國家又對我國進行嚴(yán)密技術(shù)封鎖，以致我國技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家差距巨大。

我國雖然是鎂合金的資源、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20世紀(jì)五六十年代前蘇聯(lián)的技術(shù)體系，存在合金材料選擇范圍小、自主牌號少、產(chǎn)品強度低、耐熱性差、工藝與裝備落后等缺點，嚴(yán)重阻礙了我國航天航空與國防工業(yè)裝備的輕量化進程和性能指標(biāo)的進一步提高。我國同種類型裝備幾乎均比國外裝備超重10%以上。采用常規(guī)的主干材料，如鋁合金和鋼，已經(jīng)很難進一步減輕重量，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。

隨著我國航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，輕量化勢必成為航空航天制造業(yè)的主流，具有輕質(zhì)高強的新型鎂合金材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛。我國應(yīng)充分利用鎂與稀土資源優(yōu)勢，加快發(fā)展鎂合金科技，在技術(shù)上不斷創(chuàng)新，實現(xiàn)航空鎂合金產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，擴大鎂合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

在未來的航空鎂合金材料應(yīng)用中，高強高韌、耐蝕與耐熱鎂合金仍然是發(fā)展的主題。