2019年國慶閱兵現(xiàn)場，被譽(yù)為“高原之王”的我國新一代直升機(jī)編隊(duì)飛過天安門廣場上空。

 　　新一代直升機(jī)是我國當(dāng)前航空重大裝備之一，代表著我國重大裝備提升的突出成果。而新一代直升機(jī)的研制成功凝聚著我國在新材料領(lǐng)域的最新科研成果。

 　　一代材料，一代裝備。以材料為先，實(shí)現(xiàn)重大裝備的提升，是新型重大裝備研發(fā)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變。“高原之王”新一代直升機(jī)采用新一代高性能鎂稀土合金材料，突破性的實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵部件的輕量化，為新型鎂合金材料首次在重大裝備項(xiàng)目上實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用跨出了關(guān)鍵一步，上海交通大學(xué)輕合金精密成型國家工程研究中心的吳國華教授科研團(tuán)隊(duì)，在中心主任丁文江院士的領(lǐng)導(dǎo)下，為項(xiàng)目的順利實(shí)施做出了重大貢獻(xiàn)。吳國華教授團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)十余載，突破了一系列成形技術(shù)瓶頸，研制成功了關(guān)鍵復(fù)雜承力部件，填補(bǔ)了新一代直升機(jī)用高強(qiáng)耐熱鎂合金材料空白，減重25%以上，并實(shí)現(xiàn)了批量穩(wěn)定制造，滿足了國家戰(zhàn)略需求，并受到相關(guān)部門的高度評價(jià)。

 　　本報(bào)記者為此來到上海交大輕合金精密成型國家工程研究中心采訪了吳國華教授。

 　　鎂熔體精細(xì)化處理

 　　為鎂稀土合金應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

 　　初見吳國華是在他的一間堆滿各類資料的辦公室里。與記者聊起他的新材料科研工作時(shí)，眼光里充滿了激情和睿智。2000年8月，吳國華畢業(yè)于華中科技大學(xué)，獲得材料加工專業(yè)博士學(xué)位，之后便加入到由丁文江院士任主任的上海交通大學(xué)輕合金精密成型國家工程研究中心從事博士后研究，博士后的合作導(dǎo)師便是丁文江院士，博士后出站留上海交大任教，在丁文江院士的領(lǐng)導(dǎo)下，開始了漫長的鎂合金材料研究。20年來，吳國華在新型高性能鎂稀土合金的研發(fā)方面上取得了驕人的成績。

 　　說起鎂合金，吳國華充滿了深情。“20年來，我從沒離開過鎂合金研究，雖然科研過程中遇到了無數(shù)的困難與挫折，但一直在堅(jiān)持著。”

為什么會選擇鎂，選擇鎂稀土合金？記者詢問到。

 　　“中國的鎂有三項(xiàng)世界第一：鎂資源儲量第一、鎂產(chǎn)量第一、鎂出口量第一。這三項(xiàng)優(yōu)勢，使我國鎂產(chǎn)業(yè)有可能成為最具領(lǐng)先發(fā)展的行業(yè)之一。”吳國華有些興奮地對記者說。

 　　的確如此，鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展在我國具有重大優(yōu)勢，我國原鎂產(chǎn)量連續(xù)十幾年世界第一，2019年原鎂產(chǎn)量約90萬噸，我國每年鎂產(chǎn)量應(yīng)用逐年提升，在石油、汽車、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域均有較大的發(fā)展。

 　　吳國華意識到了鎂在未來應(yīng)用的前景廣闊，全身心投入到新型鎂合金材料的開發(fā)與應(yīng)用研究。2002年，當(dāng)時(shí)新型鎂稀土合金的研究還處于起步階段，鎂稀土合金牌號稀少，鎂熔體質(zhì)量差，合金性能不穩(wěn)定，嚴(yán)重制約著其實(shí)際工程應(yīng)用。吳國華發(fā)現(xiàn)了問題的癥結(jié)所在，認(rèn)為鎂熔體純凈化與組織微細(xì)化已成為制約鎂合金進(jìn)一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸之一。于是，自2002年起，他開始了高品質(zhì)鎂稀土合金熔體的制備技術(shù)研究，潛心研究鎂合金熔體純凈化與細(xì)化處理關(guān)鍵技術(shù)。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難點(diǎn)，發(fā)明了集熔體保護(hù)、凈化、細(xì)化于一體的鎂稀土合金復(fù)合處理新方法與裝備，大幅度提升了鎂熔體純凈度，并有效降低了稀土燒損率，攻克了深度純凈化及稀土損耗有效控制的關(guān)鍵難題。在細(xì)晶化與凝固組織調(diào)控方面，發(fā)明了鋯復(fù)合細(xì)化劑與細(xì)化方法，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)鑄態(tài)組織微細(xì)化和均質(zhì)化。

 　　“前后用了七八年，鎂合金熔體實(shí)現(xiàn)了深度純凈化，組織實(shí)現(xiàn)了微細(xì)化，這是一個(gè)非常艱辛的科研歷程，但為新型鎂稀土合金應(yīng)用邁出了極其重要的一步。”吳國華對記者說。2009年，科研成果“鎂稀土類合金精煉熔劑及其生產(chǎn)方法”獲得教育部優(yōu)秀專利成果獎。

 　　十年磨礪

 　　高強(qiáng)耐熱鎂稀土合金立新功

 　　近年來，我國航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧陷p量化提出了迫切需求，就航空航天器而言，材料輕量化帶來的經(jīng)濟(jì)效益和性能改善十分顯著。航空航天裝備減重已由“斤斤計(jì)較”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;克克計(jì)較”。而鎂合金具有密度小，比強(qiáng)度、比剛度高，阻尼減震性、切削加工性、導(dǎo)熱性好，電磁屏蔽能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。且由于鎂合金是目前實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，可大幅提升武器裝備戰(zhàn)技指標(biāo)，故受到高度重視。

 　　自2010年以來，我國航空航天與國防工業(yè)制定了明確的輕量化目標(biāo)，減重已成為我國航天航空、國防工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要且緊迫任務(wù)。而鎂稀土合金恰逢其時(shí)，因其具有一系列獨(dú)特的優(yōu)越性能，受到航空航天國防工業(yè)領(lǐng)域的高度關(guān)注，上海交大輕合金精密成型國家工程研究中心發(fā)明的高強(qiáng)耐熱鎂稀土合金進(jìn)入了國防列裝視野。

 　　高品質(zhì)鎂合金熔體制備技術(shù)的研究與開發(fā)成功，使得吳國華對新一代高性能鎂稀土合金材料的開發(fā)與應(yīng)用充滿了信心。“若把我國優(yōu)勢的鎂資源與優(yōu)勢的稀土資源相結(jié)合，會激起什么樣的火花？”吳國華說?；谏鲜龅乃伎?，吳國華教授及其課題組針對傳統(tǒng)鑄造鎂合金強(qiáng)度低、耐熱性差和延伸率較低的難題，基于砂型鑄造慢冷凝固條件，以我國富有的Gd、Y、RE等稀土元素（尤其是重稀土元素）進(jìn)行合金化的技術(shù)路線，深入研究了稀土元素的合金化技術(shù)和各種強(qiáng)化相、耐熱相的形成規(guī)律、微觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)化、耐熱機(jī)制。通過多元合金化與微合金化途徑，綜合運(yùn)用固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、多級時(shí)效強(qiáng)化等手段，開發(fā)了綜合性能優(yōu)異的Mg-Gd-Y系與Mg-Y-RE系二種鑄造耐熱稀土鎂合金，與傳統(tǒng)鎂合金相比，除室溫強(qiáng)度會大幅提升之外，高溫強(qiáng)度的提升更為明顯。

 　　Mg-Gd-Y系鎂合金是一種新型高性能的重稀土鎂合金，在航天航空、軍事工業(yè)和汽車等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。吳國華教授針對大型復(fù)雜航天航空件樹脂砂型鑄造背景，揭示了合金元素成分、鑄型冷卻速率、澆注溫度、鑄型工藝參數(shù)等對砂型鑄造Mg-Gd-Y合金的凝固行為、凝固組織與力學(xué)性能之間的影響規(guī)律。探明了砂型鑄造慢冷條件下高強(qiáng)耐熱稀土鎂合金的晶粒細(xì)化機(jī)制。由于該合金應(yīng)用于航空航天大型復(fù)雜薄壁鑄件時(shí)，其抗熱裂性與流動性差的問題十分突出，嚴(yán)重制約了該合金的實(shí)際推廣應(yīng)用，而有關(guān)該合金的熱裂和流動性的研究極少，基于上述狀況，吳國華教授系統(tǒng)深入研究了Mg-Gd-Y合金的熱裂和流動性行為。采用自行開發(fā)的合金熱裂測試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，首次研究了Mg-Gd-Y合金的熱裂傾向性與凝固行為的關(guān)系。闡明了熔體凈化處理、澆注溫度以及合金元素成分對該合金熱裂傾向性的影響，揭示了合金的熱裂機(jī)理，并提出了減少鑄件熱裂的方法與技術(shù)措施。

 　　針對現(xiàn)有鎂合金材料強(qiáng)度低、耐熱性差、成型工藝與裝備落后等關(guān)鍵問題，利用開發(fā)的新型高強(qiáng)耐熱鎂稀土合金材料，并采用系列成套原創(chuàng)性工藝與技術(shù)，突破了鑄件表面質(zhì)量差、尺寸精度低及熱處理變形等應(yīng)用瓶頸，攻克了鎂合金構(gòu)件的精確控形與控性關(guān)鍵難題，首次實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜薄壁高強(qiáng)耐熱鎂合金部件樹脂砂型低壓鑄造，開發(fā)了多種航天航空關(guān)鍵重要部件，減重達(dá)25%以上，保證了國家重點(diǎn)型號的順利實(shí)施，大幅度提升了新一代裝備的戰(zhàn)技指標(biāo)。滿足了國家重大戰(zhàn)略需求。為國防工業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，產(chǎn)生了顯著的社會效益。

 　　吳國華對記者說：“我們開展鎂稀土合金材料研究比較早，從材料開發(fā)-熔體凈化細(xì)化復(fù)合處理-鑄造成型-熱處理工藝開發(fā)一路走來，取得了一系列創(chuàng)造性成果。我們研制成功了抗拉強(qiáng)度大于400兆帕的高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金，已用于二十余種型號產(chǎn)品的研制與批產(chǎn)，這是國內(nèi)乃至世界鎂合金領(lǐng)域的重大突破”。數(shù)年來，吳國華課題組授權(quán)了國家發(fā)明專利55項(xiàng)，發(fā)表了高水平學(xué)術(shù)論文100余篇。獲得了5項(xiàng)國家及省部級科技獎勵。

 　　一代材料 一代裝備

 　　新型鎂合金將由中國走向世界

 　　大型復(fù)雜新型鎂稀土合金構(gòu)件在國防軍工的成功使用，為鎂合金在高端領(lǐng)域的推廣應(yīng)用走出了一條中國自主創(chuàng)新之路。吳國華感慨地說：“一代材料，一代裝備，新材料應(yīng)用的引領(lǐng)作用極其重要，鎂合金的高端應(yīng)用近年來受到越來越廣泛的重視，不少領(lǐng)域都在有意識的主動接觸了解并嘗試鎂合金，這是個(gè)很好的開端。當(dāng)前，鎂產(chǎn)業(yè)需要通過重大應(yīng)用場合的引領(lǐng)，完成最后一跳，才能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步大規(guī)模的推廣應(yīng)用”。

 　　談起這些年的科研之路，吳國華教授感觸頗深，“這近20年的研究過程太痛苦。”

“在2012年前后，我們開展了探月工程項(xiàng)目基于月球環(huán)境條件下的鎂合金組織與性能研究，在研究過程中，發(fā)現(xiàn)鎂稀土合金與鋁合金不同，鎂稀土合金在月球近真空狀態(tài)及晝夜高低溫大溫差變化環(huán)境下，組織與性能幾乎沒什么影響。鎂合金材料在嫦娥月球車應(yīng)用中表現(xiàn)良好，減重效果明顯。”吳國華為記者介紹了鎂合金的性能優(yōu)勢。

 　　他們團(tuán)隊(duì)在近十年研制與生產(chǎn)了一系列國防產(chǎn)品，包括鎂稀土合金發(fā)動機(jī)機(jī)匣、飛機(jī)傳動系統(tǒng)機(jī)匣、新型導(dǎo)彈艙體、空天飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件等等。

 　　2014年，吳國華團(tuán)隊(duì)首次采用高強(qiáng)耐熱新型鎂稀土合金精密砂型低壓鑄造成型工藝，完成了我國某高超聲速飛行器鎂稀土重要部件的研制與生產(chǎn)任務(wù)，首次采用新一代鎂稀土合金替代鈦合金，成功鑄造了大型復(fù)雜異型薄壁形狀的主承力部件，多次飛行試驗(yàn)均獲巨大成功，使我國在航空航天領(lǐng)域高強(qiáng)耐熱鎂稀土合金的應(yīng)用成為首創(chuàng)，為我國國防事業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)。談及此，吳國華滿懷激情，“我們也沒想到，新型鎂稀土合金這么強(qiáng)，能大幅提升飛行器飛行指標(biāo)。這種新型鎂稀土合金材料具有高溫力學(xué)性能超強(qiáng)的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)金屬材料隨著溫度升高抗拉強(qiáng)度下降情形相反，新型鎂稀土合金材料在300度下，隨著溫度升高，合金的抗拉強(qiáng)度反而是上升的。該飛行器采用鎂稀土合金部件后，相對原設(shè)計(jì)，整體減重超過100公斤，這個(gè)減重效果對于克克計(jì)較的航天領(lǐng)域而言是巨大的。”科研成果于2017年獲得了國防技術(shù)發(fā)明一等獎，受到用戶的高度評價(jià)。

 　　而吳國華團(tuán)隊(duì)研制成功這種新型高強(qiáng)耐熱鎂稀土合金關(guān)鍵重要部件的背后，卻是充滿了艱難探索。吳國華對記者說：“歷經(jīng)4年的研發(fā)，多少個(gè)充滿挑戰(zhàn)的日日夜夜，研發(fā)難度很大，工作壓力也很大，自己累病了幾次，真的非常不容易，確實(shí)太難了”。他連說了幾個(gè)太難了，成功的過程是非常痛苦的。

 　　接受這個(gè)項(xiàng)目的研制任務(wù)，對于吳國華來說是一個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)?；谇靶┠暝鷮?shí)的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究，吳國華才有底氣接受這個(gè)項(xiàng)目挑戰(zhàn)，2011年始，吳國華在某研究所及上海交大的支持和配合下，開始了大型復(fù)雜高強(qiáng)耐熱鎂稀土合金鑄件從無到有的研發(fā)，因沒有成功的先例可借鑒，遇到的困難可想而知。最初連完整的鑄件外形都難以獲得，更談不上滿足苛刻的內(nèi)在質(zhì)量與性能指標(biāo)要求。通過大量的試驗(yàn)與技術(shù)攻關(guān)，攻克了鑄件熱裂、變形、成分偏析、縮孔縮松、組織與性能不均勻等系列難題，歷時(shí)4年，終于按照用戶的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，研制成功了滿足應(yīng)用需求的合格產(chǎn)品。“整個(gè)過程太痛苦，用戶方代表天天催進(jìn)度，多次被逼得想打退堂鼓，但在一種強(qiáng)烈使命感的驅(qū)動下，咬牙堅(jiān)持著，團(tuán)隊(duì)沒日沒夜的進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，終獲成功。”

大型復(fù)雜新型高強(qiáng)耐熱鎂稀土合金構(gòu)件成功應(yīng)用于我國航天重大專項(xiàng)中，獲得了用戶的高度評價(jià)。這個(gè)高強(qiáng)耐熱鎂稀土合金應(yīng)用成功的范例，極大推動了新型鎂合金材料在航天、航空及國防裝備中的應(yīng)用。

 　　面對未來，吳國華教授表示，我國應(yīng)充分發(fā)揮鎂與稀土資源優(yōu)勢，加大國家政策支持力度，立足于產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，組建航空航天用鎂合金應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，集中力量，聚焦高性能鎂稀土材料及控形控性技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用，搞好頂層設(shè)計(jì)，組織骨干隊(duì)伍，加強(qiáng)原始創(chuàng)新，提倡自主設(shè)計(jì)，促進(jìn)自主應(yīng)用，形成中國特色航空航天用鎂合金材料標(biāo)準(zhǔn)體系，使鎂合金成為中國輕量化材料的王牌，為我國航空航天工業(yè)的快速發(fā)展提供強(qiáng)有力的材料技術(shù)支撐，繼而把中國鎂稀土材料推向世界，將我國鎂與稀土資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，促進(jìn)我國鎂及稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

 　 吳國華教授簡介

 　　吳國華，男，1964年7月出生，博士，上海交通大學(xué)材料學(xué)院長聘教授、博士生導(dǎo)師。上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人，韓國機(jī)械與材料研究院高級訪問學(xué)者，輕合金精密成型國家工程研究中心副主任，上海航天先進(jìn)材料及應(yīng)用技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任。中國鎂合金材料與應(yīng)用技術(shù)專業(yè)委員會副理事長、中國鑄造學(xué)會常務(wù)理事、中國鑄種鑄造及有色合金技術(shù)委員會副主任委員。

 　　近幾年，已主持國家973計(jì)劃課題、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國家自然科學(xué)基金、軍科委創(chuàng)新特區(qū)項(xiàng)目、國家航空與航天重大專項(xiàng)、國家863計(jì)劃、國家發(fā)改委新材料示范工程、總裝預(yù)研、國防科工局軍品配套、上海航天基金等科研項(xiàng)目60余項(xiàng)。科研成果在多個(gè)國家重大航天與航空專項(xiàng)中獲得應(yīng)用，獲國家及省部級科技獎勵9項(xiàng)，在國內(nèi)外重要刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，已授權(quán)國家發(fā)明專利55項(xiàng)。主要研究方向?yàn)椋焊咝阅苕V合金、鋁鋰合金材料開發(fā)；液態(tài)精密成型；半固態(tài)成型、材料能量場制備。