2021年11月3日，中共中央、國務院在北京舉行2020年度國家科學技術獎勵大會，表彰為我國科技事業(yè)發(fā)展和現(xiàn)代化建設作出突出貢獻的科技工作者。此次共頒發(fā)3項國家技術發(fā)明獎一等獎，我國鎂合金領域專家、上海交通大學材料學院教授吳國華獲國家技術發(fā)明獎一等獎。吳國華教授團隊歷經(jīng)二十余載，取得了一系列研究突破，開發(fā)出新型高強度耐熱鎂稀土合金，解決了大型復雜鎂合金構件控形控性難題；開發(fā)出多種航空航天關鍵部件，并實現(xiàn)了批量穩(wěn)定制造，保障國家重點型號的成功研制與交付，滿足國家重大戰(zhàn)略需求，得到相關部門的高度評價。為此，筆者前往上海拜訪吳國華，就新一代鎂稀土合金關鍵部件研發(fā)、我國鎂合金鑄造現(xiàn)狀及鑄造行業(yè)發(fā)展等問題與他進行了深入交流。
筆者：再次祝賀您和您的團隊榮獲國家技術發(fā)明獎一等獎，這個獎的分量很重。
吳國華：謝謝，這個獎主要是獎勵我們上海交通大學材料學院輕合金精密成型國家工程研究中心團隊在新型高性能鎂稀土合金材料研究和控形控性技術開發(fā)方面取得的重大成績，成果在國家重大裝備關鍵部件上實現(xiàn)了批量化應用。研究中心主任丁文江院士為項目第一完成人，我是第二完成人。我們輕合金精密成型國家工程研究中心的科研團隊，在丁文江的領導下，為項目的順利實施作出了重大貢獻。
眾所周知，材料輕量化對航天航空類裝備具有重要戰(zhàn)略意義。鎂合金是實際應用中最輕的金屬結構材料，可有效地提高裝備服役技術指標。然而，長期以來，因強度低、耐熱性差、易腐蝕、成形工藝落后等核心技術瓶頸，鎂合金不能滿足現(xiàn)代新型高性能裝備的使役性能要求。針對以上難題與應用技術瓶頸，該項目在國家多個重點研發(fā)計劃的支持下，經(jīng)過20多余年努力，開展鎂-稀土（尤其是重稀土）新型合金的強韌化、耐熱機制研究與成分設計，發(fā)明了中國特色新一代高性能鎂稀土合金材料。在此基礎上，圍繞該合金的成形關鍵環(huán)節(jié)（純凈化、細晶化與組織調控、精密成形、腐蝕與防護）進行一系列技術創(chuàng)新，并率先構筑了新型合金材料的結構設計方法，實現(xiàn)了鎂合金從非承力結構件至主承力結構件應用的跨越，在我國新一代“大國重器”研制中發(fā)揮了重大作用，大力推動了該材料在航天航空等領域的應用。
這個獎對于上海交通大學來說，體現(xiàn)了我校始終堅持與國家發(fā)展和民族復興同向同行，始終堅持瞄準國際學科發(fā)展前沿與國家重大需求，反映了我校在培育國家戰(zhàn)略科技力量、強化學科高峰和國際一流學科建設步伐上所取得的重大突破。對于我們團隊來說，這個獎項標志著輕合金中心團隊的科技創(chuàng)新能力持續(xù)增強、綜合實力不斷提升，并在關鍵技術創(chuàng)新、技術轉移和科技成果轉化方面已經(jīng)形成了我們的獨特優(yōu)勢。對我個人來講，這份獎項既是對我二十余載堅守的鼓舞和認可，更象征著一份沉甸甸的責任和使命，它讓我更有勇氣、有信心在鎂合金領域繼續(xù)披荊斬棘，用鎂合金為航空航天裝備輕量化事業(yè)添磚加瓦。
筆者：這個項目，您和團隊用了十幾年時間研發(fā)，一定經(jīng)歷了很多曲折，付出了很多努力，請您分享一下研發(fā)的經(jīng)歷。
吳國華：接觸到這個項目純屬機緣巧合。2011年4月，某航天重大專項的總指揮和總設計師蒞臨上海交通大學與其他研究團隊洽談合作事項，校方讓我向來賓簡要匯報輕合金中心在鎂合金方面的研究進展。但由于座談會的主題并非鎂合金，因此，給我匯報的時間僅有5分鐘。總指揮聽完匯報后找到我說：“我們有個關鍵部件，你能用鎂合金來做嗎？你可以先詳細看看圖紙。”看了圖紙后，我當時也不知道能不能研制出來，但覺得可以試一試，就冒險答應了。我這個人有個特點，要么不答應，一旦答應了的事情，就會全力以赴、想方設法地做好。
在前期的項目研討會上，很多本領域的同行都勸我放棄，認為無論是從該構件使役性能指標要求的角度，還是從鑄造成形的角度，采用鎂合金來做如此大型復雜的高性能部件均無任何可行性，但我還是堅持盡力試一試。在之后的研制過程中，我才發(fā)現(xiàn)項目難度完全超乎想象。每一個環(huán)節(jié)都很痛苦，處處都是難關和瓶頸，導致進展極不順利。隨著時間一天天流逝，看不到成功的希望，裝備設計部門的領導與同事們極為焦慮，但我非?？释転閲易鼽c貢獻。在項目進度檢查會議上，我對他們說：“我就是少活10年，也要把這個部件研制出來。”繼續(xù)反復開展試驗，探索不同的技術方案，整個過程極其艱辛與痛苦的。因研制進展很不順利，團隊一些成員也失去了信心，甚至有時我提出一個改進方案后，團隊有些人不接受，我便從多個分析角度反復去說服團隊成員。我曾對他們說，如果這個方案沒有效果，所有的責任我來負。正是這種堅持，使得研制工作不斷取得進展。
在整個部件的研制過程中，材料研發(fā)、大熔量制備、鑄造成形工藝攻關等試驗的工作強度是非常大的。在研制的關鍵時期，我每天從早到晚在現(xiàn)場把控每一個環(huán)節(jié)與細節(jié)，解決研制過程中出現(xiàn)的新問題。
例如，一般情況下，我們的工作流程是鑄件前一天下午澆注完畢，待到第二天上午才開箱。但是，我發(fā)現(xiàn)新型鎂稀土合金材料，開箱后鑄件組織中看不到析出相，我分析判斷是澆注后鑄型長時間處于高溫狀態(tài)造成的，經(jīng)過對鑄型溫度場的測試與分析，我要求澆注后三個半小時開箱。這與工廠正常的工作時間發(fā)生沖突，但我堅持要求廠方必須克服一切困難協(xié)調解決工人的排班問題。按照我要求的時間開箱后，鑄件組織的確與第二天才開箱的組織完全不同，我們想要的二次相出現(xiàn)了。
通過反復的試驗與大量的技術攻關，我們終于攻克了鑄件熱裂、變形、成分偏析、縮孔縮松、組織與性能不均勻等一系列難題，成功研制了滿足應用需求的合格產(chǎn)品。整個項目從材料研發(fā)、工藝試制到成功生產(chǎn)，正因為堅持，才最終將這個輕質高強耐熱關鍵部件研制出來。從最初的材料研發(fā)到部件獲得應用，前前后后一共用了十多年的時間，說這是十年磨一劍，真的是一點不假。
這個產(chǎn)品研制的整套工藝技術及裝備都是我們自主設計開發(fā)的，包括低壓鑄造機、熱處理爐等。比如，用傳統(tǒng)的鋁合金熱處理爐對我們的產(chǎn)品進行熱處理時，保護氣體會對熱處理爐產(chǎn)生腐蝕，我們就針對鎂合金的特點提出一些改進方案，然后與設備廠家合作特制出所需要的專用設備。
那段日子真是太難熬了，研發(fā)過程中處處都是瓶頸問題，我甚至好幾次都累倒了。比如，剛開始時鑄件不成形，壓根做不出一個完整的件，反復進行工藝摸索，當時我們試驗了60多件，我從早到晚都在現(xiàn)場。好不容易鑄造成形了，又相繼出現(xiàn)鑄件縮孔、縮松、開裂、變形、尺寸不合格、偏析、伸長率低等一系列問題。短時間內找不到全方位有效的對策，既苦惱又焦急，只能全力以赴。還記得，當時為了確保開箱位置正確，避免鑄件因開箱造成損傷，我晚上要陪著兩個工人師傅開箱，放棄了參加輕合金中心的春節(jié)聚會。那段時間，我的體力和精力消耗很大，還面臨著巨大的精神壓力，白天在現(xiàn)場全程參與試驗，晚上還要一頭扎進辦公室分析總結，重新制訂第二天的優(yōu)化方案。這種工作狀態(tài)不是一天兩天，而是持續(xù)了相當長的一段時間。后來，我的身體根本就扛不住了，病倒了好幾次，嚴重時人躺在床上不能動彈，當時我愛人以為我不行了，嚇得直哭。那段時期的研發(fā)，有痛苦、有勞累，更有一步步接近成功的喜悅和希望，實在令人難以忘懷。
在這個項目的研發(fā)過程中，我們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，發(fā)明了集熔體保護、凈化、細化于一體的鎂稀土合金復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鍵難題。在細晶化與凝固組織調控方面，發(fā)明了鋯復合細化劑與細化方法，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，有效地調控了鎂合金熔體的預結晶組織與結構，實現(xiàn)鑄態(tài)組織微細化和均質化。
苦盡甘來，最讓我欣慰的是，新一代高強耐熱鎂稀土合金材料和鑄件終于研制成功，為我國的航天航空事業(yè)作出了積極貢獻。研制成功后，某重大專項的總指揮從北京趕到上海，專程來上海交通大學送感謝信并對我們團隊表示了誠摯的感謝。
筆者：真為您的成功感到欣慰，也由衷地敬佩您的智慧、執(zhí)著和砥礪前行的精神。我們知道，稀土鎂合金材料制備難度是很大的，您在研發(fā)中一定積累了一些經(jīng)驗，請您分享一下鎂合金熔煉、熔體處理及強化方面的經(jīng)驗。
吳國華：在試驗和開發(fā)過程中，我們用過不同的爐子熔煉鎂合金。對于小噸位的爐子，我們一般向爐內通保護氣體，比如二氧化碳和六氟化硫的混合氣體；對于大噸位的熔煉爐，我們用自己開發(fā)的覆蓋劑，效果很好。覆蓋劑要求在鎂合金熔體表面快速鋪展并隔離空氣，還要保證它能夠盡快結殼，因為結殼以后就不容易下沉，對熔體表面形成更好的保護。
目前，在國內鑄造領域有一個重要的問題被大家忽視了，就是原材料的質量問題。舉個例子，做高性能鎂合金需要采購稀土等原材料，但加進去的不是純稀土，需要加鎂稀土中間合金。盡管做中間合金的廠家很多，但質量大都良莠不齊。采用低質量的稀土中間合金制備的鎂合金中會形成大量夾雜，還會造成鎂合金組織性能不均勻。我們國內做的鎂鋯合金質量與國外相比還有差距，如果鎂稀土中間合金原材料這一關得不到解決，想做出高質量的產(chǎn)品，難度是很大的。
我從事鎂合金材料研究及應用二十余年，非常重視前端的基礎研究。我會親自去采購原材料，再進行大量的前期基礎研究。比如，鎂合金的熔體處理就是鎂合金構件成形的首要問題。
第一是熔體凈化問題。鎂合金的凈化難度遠遠高于鋁合金，因為夾雜物很難從熔體中分離，為了達到相關要求，我們自己開發(fā)了鎂合金精煉劑，想辦法把夾雜物裹起來并快速沉降，除雜效果非常理想。由我們開發(fā)的精煉劑和精煉方法獲得了教育部的專利獎。
第二就是鎂合金的晶粒細化問題。要想有效地細化鎂合金，從機制上來說，一方面是要提供足夠多的形核核心，讓它在提供的晶核上成長；另一方面，就是抑制已形核的枝晶長大。對于鎂稀土合金而言，最有效的晶粒細化劑就是鋯，因為鋯的晶格常數(shù)與鎂的晶格常數(shù)接近，但采用什么方式和工藝往鎂熔體中加鋯卻很講究。我采用鋯和其他元素復合的方法把它加進去。
第三就是關于稀土損耗的問題。因為稀土化學性質活潑，一旦發(fā)生了氧化燒損，就會變成渣而降低鎂熔體的純凈度。此外，稀土發(fā)生氧化反應后就被損耗了，鎂合金的成分會發(fā)生變化，產(chǎn)品的性能就不穩(wěn)定，而鑄件產(chǎn)品最核心的一個要求就是構件性能必須穩(wěn)定。為了在制備稀土鎂合金的過程中減少稀土損耗，我們采用了一種獨特的技術，即在精煉處理時加入其他附加物，如稀土氯化物，讓氯化物與鎂反應置換出稀土，并從熱力學的角度阻止稀土與氧反應，這樣既能抑制稀土氧化成渣，又能降低稀土的損耗，才能制備出理想的稀土鎂合金。
筆者：您還曾獲得國際鎂科學技術創(chuàng)新研究與應用獎，請您談談這個獎項的具體情況。
吳國華： 國際鎂科學技術獎（I nternational Magnesium Science & Technology Award）由國際鎂協(xié)（International Magnesium Society）與JMA雜志（Journal of Magnesium and Alloys）創(chuàng)立，授予國際上在鎂或鎂合金研究與產(chǎn)業(yè)化方面作出了重大創(chuàng)新貢獻的人或團體，由國際上鎂及鎂合金領域著名同行投票產(chǎn)生，在國際鎂及鎂合金領域具有很大影響力與公信力。我于2020年獲得了首屆國際鎂科學技術創(chuàng)新研究與應用獎。
評獎的過程是這樣的，首先，通過JMA雜志來篩選一批候選人。期刊的優(yōu)勢就是在學術動態(tài)方面很敏感，它先檢索出鎂合金領域引用較高，且在行業(yè)內具有一定引領作用的作者。然后，將這些作者名單發(fā)給全世界在鎂合金領域影響力比較大的專家進行第二輪投票。最后，由評獎委員會進行投票選出最終的獲獎人。評審委員會是由國際上鎂合金領域的知名專家組成，評審具有較高的公信力和公正性。
我能獲得這個獎項，是因為我一直以來都從事鎂合金材料及應用方面的研究，部分研究成果創(chuàng)新性較強、在國際上領先，且研發(fā)的部分材料得到了很好的應用，相關學術與應用研究成果獲得國內外同行專家的認可而獲獎。
筆者：我國在鎂合金研究及應用方面在國際上處于什么水平？
吳國華：在鎂合金研究領域，中國在某些方面是處于國際領先水平的，但總體上，與歐美發(fā)達國家相比還有差距?？陀^來講，中國在新型鎂合金材料開發(fā)方面走在世界前列，尤其是在高強耐熱鎂稀土合金材料開發(fā)方面有獨特的優(yōu)勢。由于輕稀土鎂合金無法滿足某些部件的性能要求，因此，國內所開發(fā)的高強耐熱鎂合金大都是通過往鎂合金中加入重稀土合金元素制備而成，比如釓、釔等，而中國在重稀土資源方面正好占有一定優(yōu)勢。在成形技術方面，如鑄造技術，中國跟世界先進水平還有差距。美國制造的大型復雜鎂合金發(fā)動機機匣鑄件，組織性能很穩(wěn)定，缺陷很少，而我們目前還達不到他們的水平。此外，他們生產(chǎn)的鎂合金鑄件內部和外觀質量都非常好，即使是采用傳統(tǒng)的鎂合金牌號，我們的鑄造成形技術水平與歐美發(fā)達國家還是有較大差距。另外，我們在鎂合金熔煉爐等一系列的設備上都與國外存在差距，還有很長的路要走。
大家常說，鑄造有“四套馬車”，分別是合金材料、造型材料、設備和工藝。關于合金材料，我們在高強耐熱鎂合金材料方面是領先的，但在鎂合金造型材料方面還有欠缺，沒有專門用于鎂合金的鑄造材料，如粘結劑、涂料等。在鑄造專用的鎂合金設備及工藝技術方面，我們同國外相比還有一定差距。目前，我們仍有較多重要部件需要進口，民用的可能還可以進口，但是，高端裝備和涉及國家安全的重要裝備部件，我們只能自主研發(fā)。國外生產(chǎn)的鎂合金機匣質量穩(wěn)定，但我們并不清楚國外的工藝流程，我們要做的工作還有很多，任重而道遠。尤其是對于現(xiàn)在的青年學者，一定要加強自主創(chuàng)新的意識，要有自主可控的技術，才不會受制于人。
筆者：目前鎂合金成形工藝都有哪些？在哪些領域應用比較多？
吳國華：我國鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊，我國原鎂產(chǎn)量連續(xù)十幾年世界第一，2021年原鎂產(chǎn)量約90萬噸，且我國鎂產(chǎn)量與應用逐年提升。鎂合金主要的成形工藝還是壓鑄，應用最多的是汽車行業(yè)和3C電子產(chǎn)品行業(yè)。但壓鑄件的結構設計不能太復雜，而且一般不能進行熱處理強化。而應用于航空航天領域的往往是結構復雜、尺寸較大、性能要求很高的部件，所以航空航天領域一般不用壓鑄而大多采用砂鑄工藝來成形鎂合金部件。鎂合金砂鑄工藝又分為重力鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造等。目前，性能較好的鎂合金砂鑄件往往是采用低壓和差壓砂鑄成形的。我們現(xiàn)在也在開發(fā)鎂合金熔模精密鑄造，其優(yōu)點是精度高，缺點是組織性能還有待提高。另外，擠壓鑄造、半固態(tài)鑄造等也是鎂合金常用的鑄造成形方法，半固態(tài)鑄造的鎂合金因可以進行熱處理強化，因而其性能較壓鑄鎂合金有所提升。
筆者：您認為未來鎂合金的應用前景如何？
吳國華：我對未來鎂合金的應用前景是充滿信心的。我認為，鎂合金的應用在未來會有爆發(fā)性的增長，因為鎂合金是目前實際應用中最輕的金屬結構材料，它符合當前“雙碳”目標對裝備輕量化的迫切需求。
尤其是在目前大力發(fā)展的新能源汽車方面，鎂合金可以用于生產(chǎn)輪轂、覆蓋件、外殼、發(fā)動機等部件，能夠有效地降低汽車自重，提高新能源汽車的續(xù)航能力。盡管鎂的耐腐蝕性較差，但通過合適的表面處理手段，其仍然會得到廣泛的應用，如在3C、運動器械、醫(yī)療、軌道交通、航空航天等領域。另外，從資源角度來講，我國鎂資源豐富，鎂資源儲量、產(chǎn)量、出口量均居世界第一?？梢?，現(xiàn)在制約鎂合金發(fā)展的根本因素已經(jīng)不是材料本身了，而是在配套的工藝技術和裝備上，主要是成形技術及設備的研發(fā)，以及如何提高鑄件的性能穩(wěn)定性和產(chǎn)品合格率。鎂合金推廣應用的另一個問題，就是鎂合金部件的設計問題，由于鎂合金的基礎數(shù)據(jù)庫還不太完善，在一些參數(shù)設計上還缺乏足夠的數(shù)據(jù)支撐，而國外在這方面卻有很長時間的經(jīng)驗積累。
筆者：鎂合金成形工藝技術有很多，您長期只堅持鎂合金鑄造工藝技術研究，一定是對鑄造有很深的感情，您是如何與鑄造結緣的？能談一下您的成長和學習經(jīng)歷嗎？
吳國華：我是在江西的鄉(xiāng)下長大的，家里孩子多，共有7個小孩，我是老三，上面有2個姐姐，下面有3個妹妹，最小的是弟弟。在農村由于缺乏勞力，家里非常窮，沒有糧食，經(jīng)常一天只能吃兩頓飯，而且是限量的。雖然家里很窮，但我母親對我的要求極其嚴格。我父親是物理專業(yè)的大學生，他經(jīng)常會跟我聊一些物理方面的知識和實驗，還親手教我做過滅蟲燈，因而我從小就接觸到了一些實驗科學方面的知識，相應的動手能力也自然而然地得到了鍛煉。
上大學報考專業(yè)志愿時，我根本不知道鑄造這個專業(yè)具體是做什么的，只是因為當時看到招生簡章上別的專業(yè)只招1個或2個人，而鑄造專業(yè)招3個人，我覺得被錄取的可能性更大一點。為了能夠盡早進入大學，讓自己吃飽飯，就填報了鑄造專業(yè)，這樣便與鑄造結下了不解之緣。當時，農村的生活條件是非常艱苦的，我每天早早起來就得下地去干活，總想著能夠早點脫離農村、考上大學。沒想到后來學了鑄造，愛上了這一行，這一干就是30多年。不敢說取得了多大的成就，但我一直是在兢兢業(yè)業(yè)地做。
2000年8月，我從華中科技大學博士畢業(yè)，之后便加入到上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心，從事博士后研究，我的合作導師便是丁文江。2002年5月，我博士后出站留上海交通大學任教，留校后我的主要研究方向便是鎂合金熔體深度純凈化與鑄造成型，在丁文江的指導下，由此開始了漫長的鑄造鎂合金研究之旅。
筆者：請您談談您在材料研究和鑄造應用這方面的感受？在開發(fā)和實驗的思路上有哪些獨到之處？
吳國華：一分耕耘，一分收獲。天上從來不會掉餡餅，搞材料科研要能吃得苦中苦，有鉆研的韌勁。想要做出成績，就必須拿出甘坐十年冷板凳的勇氣和決心。我從來沒有節(jié)假日，筆記本電腦也總是隨身攜帶，這樣方便能夠隨時辦公，甚至有時大年初一我也會去辦公室工作。平時有一些項目邀請我去參加評審，或者是讓我去作報告，我大都婉拒了，因為我的確沒時間，我絕大部分時間都撲在了科研工作上。
對于研究開發(fā)，我認為，在項目開始之前要廣泛搜集大量相關信息并反復研討論證，這樣才能確定一個可行的方案。方案的總體思路要明晰，如總體方案需要分成哪幾個部分，哪些部分可能相互制約，相互制約的部分一定要討論它們交互作用的問題。走一步算一步是肯定不行的，一定要從全局來把控和考慮問題。另外，在研究開發(fā)的過程中除了要有科學思維，還要有工程思維。我常對學生講，科學思維和工程思維是不太一樣的思維方式，工程思維是統(tǒng)籌規(guī)劃、全局把握的綜合思維方式，而科學思維是一種更強調科研邏輯的思維方式。例如，我所指導的研究生選題務必要堅持需求導向和問題導向，選題必須瞄準國家在材料領域的重大迫切應用需求，其研究結果也都必須經(jīng)得起工程考核和驗證。
另外，想把鑄造工作做好，一定要有較廣的知識面。我雖然從事的是鑄造行業(yè)，但是我參加工作之后自修了熱處理專業(yè)、機械制造專業(yè)、冶金專業(yè)等專業(yè)的核心課程。尤其在青年教師時期，我經(jīng)常去其他專業(yè)旁聽課程，坐在這些專業(yè)課教室后面默默學習。沒有這些扎實的理論基礎，很多項目根本無法順利完成，我也常常這樣勉勵我的學生。