鑄造中國特色的航天材料
——記上海交通大學(xué)吳國華項目組的鎂合金應(yīng)用研究

本刊記者/李輝

鑄造中國特色的航天材料
——記上海交通大學(xué)吳國華項目組的鎂合金應(yīng)用研究

本刊記者/李輝

項目名稱：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)

完成人：吳國華 丁文江等

完成單位：上海交通大學(xué)

機(jī)遇從來只給有準(zhǔn)備的人們

2011年4月的一天，中國航天一院某國家重大專項的總指揮和總設(shè)計師來上海交通大學(xué)座談。作為座談的一部分，輕合金精密成型國家工程研究中心的吳國華教授按照校方安排做了關(guān)于鎂合金研究進(jìn)展的簡短匯報。由于座談會設(shè)定的主題并非鎂合金，所以吳國華的匯報只有5分鐘。然而出乎校方意料的是，在會后，兩位客人對上海交大開發(fā)的高強(qiáng)耐熱鎂合金材料表現(xiàn)出了濃厚的興趣，他們試探著尋問是否可以用該鎂合金材料來制作某航天重大專項型號的大型復(fù)雜部件。這個部件原本設(shè)計用鋁合金材料制作。

現(xiàn)場，航天方?jīng)]有明確說用也沒用明確說不用，只是反復(fù)和吳國華溝通。從交大離開后，他們開始馬不停蹄地調(diào)研，在接下來大約5個月的時間里，他們陸續(xù)調(diào)研了國內(nèi)有影響的一系列鎂合金科研機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)單位，尋求可行性上的建議。然而各方的回應(yīng)都不樂觀。航天方要求的鎂合金需高強(qiáng)度而且耐熱，技術(shù)指標(biāo)比所有國內(nèi)外現(xiàn)行手冊上的鎂合金標(biāo)準(zhǔn)牌號高出近一倍。幾乎所有單位都認(rèn)為無論從鎂合金材料性能要求角度，還是從材料成型的角度，研制航天方需求的高強(qiáng)耐熱大型復(fù)雜鎂合金部件均沒有可行性。

吳國華卻堅持認(rèn)為可行。

航天方的躍躍欲試并非只是看到新研究成果時的一時興奮。我國國家最高科學(xué)技術(shù)獎獲得者師昌緒院士曾經(jīng)說過，在材料領(lǐng)域中，還沒有任何材料象鎂那樣，潛力與現(xiàn)實有如此大的顛倒。

潛力，是因為鎂合金是目前實際使用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，純鎂的密度只有1.74g/cm3，而鎂合金的密度通常也就1.8 g/cm3左右，約為鋁的三分之二，鋼鐵的四分之一。在常用金屬結(jié)構(gòu)材料中，鎂合金的比強(qiáng)度排第二位，僅次于鈦合金，而比剛度則排第一位。不僅于此，鎂合金還具有較高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能及機(jī)加工性能，是公認(rèn)的二十一世紀(jì)綠色工程材料。這些屬性，使得人們早就看到了鎂的應(yīng)用前景，早在第一次世界大戰(zhàn)期間，德國就將其用于研制武器裝備，“二戰(zhàn)”及戰(zhàn)后，大部分發(fā)達(dá)國家也開始發(fā)展鎂的應(yīng)用，尤其在航空航天領(lǐng)域。上世紀(jì)50、60年代，鎂的應(yīng)用可以說已經(jīng)風(fēng)生水起。

而反差在于，在中國，直至1980年代中期，上海交通大學(xué)的年輕研究人員丁文江才在一次偶然的機(jī)緣下，從零開始研究鎂和鎂合金的屬性以及應(yīng)用。“當(dāng)時國內(nèi)沒有人研究鎂，而人家德國人早已經(jīng)用在汽車制造上了?！币延捎趯︽V的開拓性研究入選中國工程院院士的丁文江院士如是說。（“丁文江的鎂世界”，《浦江縱橫》2014第6期）

航天方當(dāng)然知道上海交大在鎂合金方面的開拓與積累。事實上，交大鎂研究團(tuán)隊曾經(jīng)完成過多項重要的鎂合金科研項目。2002年起，輕合金精密成型國家工程研究中心即開展了有關(guān)高強(qiáng)耐熱鎂合金材料的基礎(chǔ)研究，2005年到2009年，他們承擔(dān)了國家安全973項目計劃項目，之后又承擔(dān)了國家863重點計劃項目，等等。憑藉這些重要項目，交大鎂研究團(tuán)隊取得了一系列鎂合金基礎(chǔ)研究成果，并在實驗室里做出了新型鎂合金試樣產(chǎn)品。

而且交大的輕合金精密成型國家工程研究中心也是國內(nèi)實力最強(qiáng)的鎂合金研究基地之一。100余人的研發(fā)團(tuán)隊，加上100多名工人和實驗人員的實驗基地，最近幾年不斷購置的裝備，這里已經(jīng)建設(shè)成為了我國目前唯一從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)全鏈條服務(wù)的鎂合金基地。

如果有滿足要求的成熟鎂合金產(chǎn)品與鋁合金產(chǎn)品供選擇，航天方毫無疑問會選擇鎂合金產(chǎn)品。然而問題在于，交大開發(fā)的新型高強(qiáng)耐熱鎂合金材料，彼時還處于“三無”產(chǎn)品階段：沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，沒有應(yīng)用先例，更沒有在軍工型號產(chǎn)品上應(yīng)用過。在對失敗容忍率極低的航天航空領(lǐng)域，嘗試使用一種新材料，是不管誰都必須慎重考慮的巨大冒險。

無論吳國華如何強(qiáng)調(diào)他們已有的研究基礎(chǔ)，所有的設(shè)計師都不愿意簽字。用還是不用的討論一度陷入僵局。關(guān)鍵時刻，一位曾經(jīng)主持過多項重大專項因此在航天領(lǐng)域享有極高聲譽(yù)的權(quán)威總指揮決定簽字。他的決定，給設(shè)計師們減輕了壓力，設(shè)計師們簽字后，經(jīng)過多次嚴(yán)格的質(zhì)量體系認(rèn)證，該新型鎂合金材料終于列入了該航天領(lǐng)域的供應(yīng)商目錄，成為了名正言順的需求產(chǎn)品。

塵埃落定，總算可以上路了。

吳國華教授（左四）為航天系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)介紹研制情況

挑戰(zhàn)新的70%的難題

然而，“大型復(fù)雜薄壁高強(qiáng)耐熱鎂合金部件研制開始后，才發(fā)現(xiàn)難度遠(yuǎn)超出我們的想象?！眳菄A說。“雖然我們曾經(jīng)做出過該鎂合金的試樣，但了解成型過程的人都知道，做小試樣與做大型復(fù)雜部件是有天壤之別的！”

由于結(jié)構(gòu)原因，航天方需求的大型復(fù)雜薄壁部件只能通過鑄造方法研制。鑄造是通過熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀、尺寸、成分、組織和性能鑄件的成形方法。然而這個過程對鎂來說卻是極難實現(xiàn)的。

鎂的一個特點是燃點低，活性強(qiáng)，非常容易燃燒。在其高溫熔融狀態(tài)下，如果不采取一定措施，鎂很容易就燒起來。在鎂合金材料制備過程中發(fā)生燃燒、爆炸并不少見。

再者，鎂極易氧化，一旦氧化就會產(chǎn)生夾雜物，麻煩在于，鎂很輕，其夾雜物也很輕，兩者密度差別不多，夾雜物通常懸浮于鎂熔體中，很難分離。而鋼鐵產(chǎn)生氧化夾雜物的話，由于其夾雜物比鋼鐵的密度低得多，夾雜物易于上浮，方便通過扒渣而去除。如果鎂合金中的夾雜物不能有效去除，將會大幅度降低材料的力學(xué)性能與耐腐蝕性能。尤其，吳國華團(tuán)隊使用的是鎂與重稀土元素釓（Gd）、釔(Y)合金化而成的高強(qiáng)耐熱鎂合金材料，稀士元素的活性也很強(qiáng)，也易于氧化燒損，如此該鎂合金材料的熔煉凈化就更難了。

這還只是該新型高性能鎂合金成為航天方合格可用材料所遇到的最基本問題。將材料鑄造成大型復(fù)雜部件的工藝是更大的難關(guān)。在實驗室做兩三公斤的樣品，只需要一個小爐子，而大部件300多公斤，需要的熔煉爐僅從尺寸上就要大很多。材料制備過程控制更是復(fù)雜的多。“按材料研究工作量比例來說，材料開發(fā)只占到工作量的20-30%，把新材料推廣到實際應(yīng)用階段而進(jìn)行的技術(shù)開發(fā)，其工作量至少要占70%。”吳國華如是認(rèn)為。

這70%以上的工作量，要求他的團(tuán)隊在項目規(guī)定的時間內(nèi)必須補(bǔ)上。

航天項目有嚴(yán)格的時間節(jié)點。在吳國華團(tuán)隊面對一系列工程難題一籌莫展之際，北京的航天方更是著急，一段時間里，航天一院、航天科技集團(tuán)與總裝備部等與此項目有關(guān)的領(lǐng)導(dǎo)及設(shè)計師們，一批批帶著焦慮的心情接踵而至?！拔覀兦捌谑且粋€月匯報一次，后來改成一個星期匯報一次，再到后來，每天匯報一次。白天研制，晚上匯報進(jìn)展情況，”吳國華說。但這樣并沒有讓航天方放心，“有時候還派人來蹲點，跟著你，你去那里他去那里。了解研制過程中每一個環(huán)節(jié)遇到什么困難，進(jìn)展怎么樣?！?/p>

“有時航天方的領(lǐng)導(dǎo)急得直接拍桌子的，”吳國華說。航天項目不同于一般的民用項目，自上而下的層層壓力，不容許任何環(huán)節(jié)有影響全局的拖沓延誤。

“有一次會上，我說我豁出去了，少活十年，也要給你們研制出來。”吳國華仍然記得自己這句破釜沉舟的話。不過現(xiàn)在再說出口已經(jīng)淡然很多，似乎全然忘記了自己曾經(jīng)累得病倒數(shù)次，每次都躺在床上兩三天里幾乎不能動彈。作為項目負(fù)責(zé)人，沖在第一線是肯定的。吳國華被輕合金精密成型國家工程研究中心的師生們稱為拼命三郎。“我沒有星期六星期天，也沒什么節(jié)假日，而且一般晚上11、12點才離開辦公室。我長年累月都這樣的。”他如是說。

做出承諾不單單是遵守簽訂合同所必需的契約精神，更重要的，是吳國華從來都是一個對“玩真的”感興趣的人?！拔液芟胫溃瑥睦碚摰綄崒嵲谠诘漠a(chǎn)品，到底怎樣才能實現(xiàn)?！痹谖易穯査@種氣質(zhì)最早來源的時候，他回想起了他的父親。

吳國華的父親是一位中學(xué)物理老師，在小的時候，他看到父親曾經(jīng)制作過滅蟲燈，一種放在稻田里，晚上飛蛾蚊蟲看到亮光便飛撲過去然后被電死的裝置。少年的吳國華也繼承了父親的基因，他曾經(jīng)為修理好一臺收音機(jī)而高興許久，后來學(xué)工科，吳國華更加喜歡上做成一種產(chǎn)品的成就感。碩士期間他就曾經(jīng)開發(fā)過一種成效顯著的鑄造涂料?！斑@種實在的東西給我的心理滿足感很強(qiáng)烈?！眳菄A說。

然而，就在他迄今難度最高、挑戰(zhàn)最大的航天產(chǎn)品的研制過程中，他產(chǎn)品思維的啟蒙老師，他的父親病危，在醫(yī)院搶救過程中，吳國華竟沒有抽出時間趕到父親病榻前?！搬t(yī)生說再晚兩個小時就不行了，”吳國華談及此事仍有愧疚。在父親經(jīng)搶救度過病危的半年后，吳國華回家探望了三天?！爱?dāng)時就是想把這個部件研制成功，愿望非常強(qiáng)烈?！?/p>

吳國華的這種強(qiáng)烈意愿，既來自他與生俱來的做實在產(chǎn)品的基因，拼命的個性，也來自于他多年研究積累的自信。

從2002年起 ，他已經(jīng)開始帶領(lǐng)學(xué)生做關(guān)于鎂合金材料的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究。在2011年接手這一項目之前，他在鎂合金組織性能、熔體復(fù)合處理、液態(tài)精密成型、熱處理及腐蝕行為等方面開展了大量研究工作，研究課題分別與真實產(chǎn)品研制過程中的各個環(huán)節(jié)相關(guān)，并且在研究過程中已帶出了5名博士和6名碩士。這些博士論文和碩士論文課題，“沒有一個是我拍腦袋拍出來的，都與實際工程中遇到的關(guān)鍵難題有關(guān)?！眳菄A說，“沒有這些鋪墊，我也不敢接這么重大的項目?！?/p>

而他自己也主持或參與了國家973計劃、863計劃、自然基金、攻關(guān)計劃、軍工配套、上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人計劃、航天基金等30余項鎂合金相關(guān)的科研項目。雖然都不是直接上天的高強(qiáng)耐熱鎂合金型號產(chǎn)品，但都屬于鎂合金的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究范疇。難能可貴的是，在他所有主持的項目中，驗收成績幾乎都是優(yōu)秀，“我做科研十分認(rèn)真，沒有做砸過一個項目?！彼f。這既是對以往成績的自豪，也是其理論基礎(chǔ)扎實的證明。

然而，產(chǎn)品研制的成功，除了興趣、堅持與基礎(chǔ)，還需要全新的突破。

吳國華教授(居中)在鎂合金部件研究過程中已帶出了5名博士和6名碩士，圖為吳教授與兩名新鮮博士合影

吳國華教授在試驗現(xiàn)場

跨越鴻溝

為了充分挖掘鎂合金材料性能的潛力，該鎂合金部件鑄造成型后，還需要進(jìn)行熱處理。因零件尺寸太大，學(xué)校的熱處理設(shè)備滿足不了要求。在上海只有上海航天院第800研究所具有滿足要求的大型熱處理爐。他們得到了800所的鼎力支持。

然而原先在實驗室基于小試樣開發(fā)的熱處理工藝卻存在巨大的挑戰(zhàn)。在實驗室因為制備的是小試樣，而且形狀簡單，熱處理過程中產(chǎn)生的應(yīng)力小，不易出現(xiàn)試樣開裂問題，所以一般采用的是固溶水淬熱處理工藝，以便獲得最佳的材料力學(xué)性能。

但由于此鑄件屬于大型復(fù)雜薄壁框架類結(jié)構(gòu)，經(jīng)過前期分析，熱處理過程中應(yīng)力一定很大，極易出現(xiàn)熱處理開裂問題。若采用已有的熱處理工藝方案，便是將鎂合金部件從500℃以上的固溶處理溫度下直接淬入冷水中，但這樣的話，零件激冷作用太強(qiáng)，極易在應(yīng)力作用下開裂。為降低開裂風(fēng)險，吳國華團(tuán)隊想到降低固溶處理淬火時的激冷作用，讓溫差不那么大，讓水達(dá)到極限的沸騰溫度，也就是100度，以減少水淬時開裂的風(fēng)險。為了滿足這一新的工藝要求，800所關(guān)掉了所有其他車間的水蒸氣供應(yīng)，將鍋爐房的水蒸氣全部都用于給吳國華團(tuán)隊所需的大型熱處理水槽中的水進(jìn)行加熱，一直將水槽中的淬火用水加熱到100℃沸騰狀態(tài)。然而，即便如此，鎂合金部件經(jīng)水淬后依然開裂的一塌糊涂。這條路行不通……再后來，吳國華改用固溶處理空冷熱處理方案，即將鎂合金從固溶熱處理爐中取出后直接在空氣中冷卻，部件開裂情況有所好轉(zhuǎn)，但力學(xué)性能依然達(dá)不到要求。

工藝的復(fù)雜，不僅僅在于技術(shù)的難以突破，還在于團(tuán)隊的協(xié)調(diào)難度。“光試制工序就幾十道，必須要一系列人馬的參與，”吳國華說。他所帶的博士碩士團(tuán)隊，以及專職研究人員及工程技術(shù)人員，因此也都必須各司其職負(fù)責(zé)相應(yīng)的環(huán)節(jié)。

作為工程研制必不可少的一批成員，車間工人也被吳國華特別提及。他認(rèn)為充分發(fā)揮工人的積極性與創(chuàng)造性非常重要，一些工人師傅在工廠里有幾十年的經(jīng)驗，諸如解決鑄件開裂、尺寸不合格問題，有些就是由工人提出了創(chuàng)造性的解決方案。

當(dāng)我問及帶領(lǐng)這么大一個團(tuán)隊是不是需要花費很多管理組織的時間時，他說，不多。我本來就在一線現(xiàn)場，一旦有問題，很快就解決了。

一系列的攻關(guān)之后……吳國華團(tuán)隊開發(fā)出了一種熱處理方案，通過一系列熱處理優(yōu)化試驗，攻克了熱處理開裂難題，并達(dá)到了航天方的性能要求。這一在本文必須一帶而過的細(xì)節(jié)，包括了無數(shù)的心血，從材料制備、液態(tài)精密成型、再到熱處理的20余項專利。

吳國華說，可以自豪地說，我們研制出了真正的“具有中國特色的材料”。因為他們研制的稀土鎂合金部件。最主要的原材料是鎂和稀土，都是中國特色材料。中國的稀土產(chǎn)量占國際上90%以上。而鎂，中國的儲量產(chǎn)量出口量都是世界第一。更為重要的是，在國際上目前所有公開的報道中，還沒有看到任何地方研制成功吳國華團(tuán)隊所研制的這一大型復(fù)雜薄壁高強(qiáng)耐熱鎂合金航天部件?！爸袊厣币虼艘舶恕爸袊氂屑夹g(shù)”的含義。

不過，“要早知道研制難度這么大，我恐怕就不敢承接這個項目了?！眳菄A心有余悸地說。但更多的還是慶幸自己曾經(jīng)那么的堅持?！坝卸螘r間也有很多人勸我放棄，我還是選擇了堅持，主要還是希望大力推動新型鎂合金材料的發(fā)展與應(yīng)用，尤其是高強(qiáng)耐熱這種高性能鎂合金材料在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用?！薄安还茉趺凑f，也要對得起自己20多年在科研戰(zhàn)線上的奮斗。要說我在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊上也發(fā)表了一百幾十篇文章，但幾乎都是基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面的，高端型號產(chǎn)品應(yīng)用研究較少，我總覺得是個欠缺?！边@是吳國華對自己之所以堅持的解釋。

這項國家重大專項最終圓滿成功。他為之耗費心血研制的部件，在試驗成功后已經(jīng)被國家航天部門收藏。有一次應(yīng)邀參觀，“看到自己研發(fā)的產(chǎn)品的那一刻，心情實在太激動了，有種強(qiáng)烈的精神滿足感。 ”他說。

在國家重大專項成功之后，今年3月的一天，負(fù)責(zé)該重大專項的總指揮一行人，從北京趕到上海虹橋機(jī)場，然后趕到交大材料學(xué)院，正式而鄭重地宣讀了國家航天部門的感謝信，并對吳國華團(tuán)隊表達(dá)了最誠摯的謝意，旋即趕到虹橋機(jī)場趕回北京。一趟專門的致謝，誠意至此，榮幸之至！

記者手記：

在采訪吳國華教授之前，記者在別的選題下有機(jī)會采訪到中國鎂合金領(lǐng)域開拓者之一的丁文江院士。據(jù)丁院士介紹，在其初出茅廬的1980年代中期，中國在鎂合金領(lǐng)域的研究幾乎是空白的。而經(jīng)過30年的努力，以上海交大輕合金精密成型工程中心為代表的中國鎂合金研究力量已經(jīng)走到了世界的前列。在感慨開拓工作之艱辛的同時，筆者也迫切想知道，30年后的今天，我們的鎂合金基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究究竟如何。恰好，在上海市科委今年評選出的2013年度上海市科學(xué)技術(shù)獎獲獎名單中，以輕合金中心骨干吳國華教授為第一負(fù)責(zé)人的 “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，赫然出現(xiàn)在技術(shù)發(fā)明獎排名第一的位置。這顯然是鎂合金領(lǐng)域最為前沿的成果。于是經(jīng)丁院士引見，就有了本次對吳國華教授的采訪。

對吳國華教授的訪談持續(xù)了5個多小時。他帶我重新回顧了從接到項目到完成項目，幾乎片刻不停的攻關(guān)歷程。一路上的風(fēng)景，在吳教授邏輯清晰的說明和不善修辭的表達(dá)中，被濃縮為“玩真的”三個字。這一通常被指代扎實工作態(tài)度的常用語，在他的談話中更指代另一層含義，從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)品應(yīng)用的跨越。在技術(shù)創(chuàng)新的理論界，這一跨越又被稱之為“技術(shù)創(chuàng)新”。

而這正是這個時代經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域里最關(guān)鍵的命題之一。經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級的壓力促使從政府到公眾，對基礎(chǔ)研究向應(yīng)用產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化都格外關(guān)注。但正如吳教授所言，這兩者工作量是20%和70%的對比。我們知道也許不能簡單的厚此薄彼。但是在當(dāng)下，成果轉(zhuǎn)化，可能是最迫切也是最實際的需求?！罢撌乱?，作事難；作事易，成事難?！被蛟S只有真正經(jīng)歷過的人，才會有最真切的感悟。也正因此，成果轉(zhuǎn)化、技術(shù)創(chuàng)新中的劈荊斬刺鮮少為外人所知。而吳國華團(tuán)隊的案例，則為我們提供了一例極佳的典范與詮釋。

再聯(lián)想丁文江院士那一批科學(xué)家自1980年代從幾近空白開始的篳路藍(lán)縷。這30年的歷程，不也恰是中國科技一路奮起直追的一個縮影嗎？

●相關(guān)鏈接●

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，是由國家發(fā)改委批準(zhǔn)組建、上海交通大學(xué)承建的國家級工程研究中心，現(xiàn)任中心主任為丁文江教授。經(jīng)過十年多的發(fā)展，中心目前已經(jīng)成為我國重要的鎂合金材料研發(fā)基地，同時也是世界范圍內(nèi)最大最先進(jìn)的鎂合金研究團(tuán)隊之一。

中心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，教研室早在50年代就已經(jīng)開始從事有色合金的相關(guān)研究，從50年代到80年代初，教研室的研究重點是鋁合金材料及其成型技術(shù)，這一時期代表性的研究成果之一即為后來在國防產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用的“交大鋁”。到了80年初期，教研室開始從事鎂合金相關(guān)的研究，并逐步將研究重點從鋁合金轉(zhuǎn)移到鎂合金上，經(jīng)過十多年的積累，于2000年初在國家發(fā)改委和上海交通大學(xué)的共同支持下，成立了輕合金精密成型國家工程研究中心。從50年代黃良余、余滋璋、翟春泉等老一輩研究人員、到丁文江教授、再在到現(xiàn)在30歲到40歲的青年研究學(xué)者，輕合金研究團(tuán)隊已經(jīng)歷了三代人的沉淀。

——摘自輕合金中心主頁