新型鎂稀土合金大型復雜構件揚威國防建設

                                      訪上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心吳國華教授

                                      2020年02月24日 8:35 1507次瀏覽 來源:   分類: 鎂資訊   作者:

                                      導讀:   一代材料,一代裝備。以材料為先,實現重大裝備的提升,是新型重大裝備研發的戰略轉變。“高原之王”新一代直升機采用新一代高性能鎂稀土合金材料,突破性的實現了關鍵部件的輕量化,為新型鎂合金材料首次在重大裝備項目上實現批量應用跨出了關鍵一步,上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心的吳國華教授科研團隊,在中心主任丁文江院士的領導下,為項目的順利實施做出了重大貢獻。

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                                      2019年國慶閱兵現場,被譽為“高原之王”的我國新一代直升機編隊飛過天安門廣場上空。

                                         新一代直升機是我國當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。而新一代直升機的研制成功凝聚著我國在新材料領域的最新科研成果。

                                         一代材料,一代裝備。以材料為先,實現重大裝備的提升,是新型重大裝備研發的戰略轉變。“高原之王”新一代直升機采用新一代高性能鎂稀土合金材料,突破性的實現了關鍵部件的輕量化,為新型鎂合金材料首次在重大裝備項目上實現批量應用跨出了關鍵一步,上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心的吳國華教授科研團隊,在中心主任丁文江院士的領導下,為項目的順利實施做出了重大貢獻。吳國華教授團隊歷經十余載,突破了一系列成形技術瓶頸,研制成功了關鍵復雜承力部件,填補了新一代直升機用高強耐熱鎂合金材料空白,減重25%以上,并實現了批量穩定制造,滿足了國家戰略需求,并受到相關部門的高度評價。

                                         本報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。

                                         鎂熔體精細化處理

                                         為鎂稀土合金應用奠定堅實基礎

                                         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,眼光里充滿了激情和睿智。2000年8月,吳國華畢業于華中科技大學,獲得材料加工專業博士學位,之后便加入到由丁文江院士任主任的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,博士后的合作導師便是丁文江院士,博士后出站留上海交大任教,在丁文江院士的領導下,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的困難與挫折,但一直在堅持著。”

                                      為什么會選擇鎂,選擇鎂稀土合金?記者詢問到。

                                         “中國的鎂有三項世界第一:鎂資源儲量第一、鎂產量第一、鎂出口量第一。這三項優勢,使我國鎂產業有可能成為最具領先發展的行業之一。”吳國華有些興奮地對記者說。

                                         的確如此,鎂產業發展在我國具有重大優勢,我國原鎂產量連續十幾年世界第一,2019年原鎂產量約90萬噸,我國每年鎂產量應用逐年提升,在石油、汽車、醫療、航空航天等領域均有較大的發展。

                                         吳國華意識到了鎂在未來應用的前景廣闊,全身心投入到新型鎂合金材料的開發與應用研究。2002年,當時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,鎂熔體質量差,合金性能不穩定,嚴重制約著其實際工程應用。吳國華發現了問題的癥結所在,認為鎂熔體純凈化與組織微細化已成為制約鎂合金進一步推廣應用的關鍵瓶頸之一。于是,自2002年起,他開始了高品質鎂稀土合金熔體的制備技術研究,潛心研究鎂合金熔體純凈化與細化處理關鍵技術。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,發明了鋯復合細化劑與細化方法,開發了鎂合金在線成分檢測與凝固組織控制的方法及裝置,有效調控了鎂合金熔體的預結晶組織與結構,實現鑄態組織微細化和均質化。

                                         “前后用了七八年,鎂合金熔體實現了深度純凈化,組織實現了微細化,這是一個非常艱辛的科研歷程,但為新型鎂稀土合金應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方法”獲得教育部優秀專利成果獎。

                                         十年磨礪

                                         高強耐熱鎂稀土合金立新功

                                         近年來,我國航空航天領域對材料輕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濟效益和性能改善十分顯著。航空航天裝備減重已由“斤斤計較”轉變為“克克計較”。而鎂合金具有密度小,比強度、比剛度高,阻尼減震性、切削加工性、導熱性好,電磁屏蔽能力強等優點。且由于鎂合金是目前實際應用中最輕的金屬結構材料,可大幅提升武器裝備戰技指標,故受到高度重視。

                                         自2010年以來,我國航空航天與國防工業制定了明確的輕量化目標,減重已成為我國航天航空、國防工業發展的一個重要且緊迫任務。而鎂稀土合金恰逢其時,因其具有一系列獨特的優越性能,受到航空航天國防工業領域的高度關注,上海交大輕合金精密成型國家工程研究中心發明的高強耐熱鎂稀土合金進入了國防列裝視野。

                                         高品質鎂合金熔體制備技術的研究與開發成功,使得吳國華對新一代高性能鎂稀土合金材料的開發與應用充滿了信心。“若把我國優勢的鎂資源與優勢的稀土資源相結合,會激起什么樣的火花?”吳國華說。基于上述的思考,吳國華教授及其課題組針對傳統鑄造鎂合金強度低、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)進行合金化的技術路線,深入研究了稀土元素的合金化技術和各種強化相、耐熱相的形成規律、微觀結構與強化、耐熱機制。通過多元合金化與微合金化途徑,綜合運用固溶強化、細晶強化、多級時效強化等手段,開發了綜合性能優異的Mg-Gd-Y系與Mg-Y-RE系二種鑄造耐熱稀土鎂合金,與傳統鎂合金相比,除室溫強度會大幅提升之外,高溫強度的提升更為明顯。

                                         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、軍事工業和汽車等領域有著廣闊的應用前景。吳國華教授針對大型復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、鑄型工藝參數等對砂型鑄造Mg-Gd-Y合金的凝固行為、凝固組織與力學性能之間的影響規律。探明了砂型鑄造慢冷條件下高強耐熱稀土鎂合金的晶粒細化機制。由于該合金應用于航空航天大型復雜薄壁鑄件時,其抗熱裂性與流動性差的問題十分突出,嚴重制約了該合金的實際推廣應用,而有關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。采用自行開發的合金熱裂測試及數據采集系統,首次研究了Mg-Gd-Y合金的熱裂傾向性與凝固行為的關系。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理,并提出了減少鑄件熱裂的方法與技術措施。

                                         針對現有鎂合金材料強度低、耐熱性差、成型工藝與裝備落后等關鍵問題,利用開發的新型高強耐熱鎂稀土合金材料,并采用系列成套原創性工藝與技術,突破了鑄件表面質量差、尺寸精度低及熱處理變形等應用瓶頸,攻克了鎂合金構件的精確控形與控性關鍵難題,首次實現了大型復雜薄壁高強耐熱鎂合金部件樹脂砂型低壓鑄造,開發了多種航天航空關鍵重要部件,減重達25%以上,保證了國家重點型號的順利實施,大幅度提升了新一代裝備的戰技指標。滿足了國家重大戰略需求。為國防工業的發展做出了重要貢獻,產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-熔體凈化細化復合處理-鑄造成型-熱處理工藝開發一路走來,取得了一系列創造性成果。我們研制成功了抗拉強度大于400兆帕的高強耐熱鑄造鎂合金,已用于二十余種型號產品的研制與批產,這是國內乃至世界鎂合金領域的重大突破”。數年來,吳國華課題組授權了國家發明專利55項,發表了高水平學術論文100余篇。獲得了5項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

                                         大型復雜新型鎂稀土合金構件在國防軍工的成功使用,為鎂合金在高端領域的推廣應用走出了一條中國自主創新之路。吳國華感慨地說:“一代材料,一代裝備,新材料應用的引領作用極其重要,鎂合金的高端應用近年來受到越來越廣泛的重視,不少領域都在有意識的主動接觸了解并嘗試鎂合金,這是個很好的開端。當前,鎂產業需要通過重大應用場合的引領,完成最后一跳,才能實現進一步大規模的推廣應用”。

                                         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目基于月球環境條件下的鎂合金組織與性能研究,在研究過程中,發現鎂稀土合金與鋁合金不同,鎂稀土合金在月球近真空狀態及晝夜高低溫大溫差變化環境下,組織與性能幾乎沒什么影響。鎂合金材料在嫦娥月球車應用中表現良好,減重效果明顯。”吳國華為記者介紹了鎂合金的性能優勢。

                                         他們團隊在近十年研制與生產了一系列國防產品,包括鎂稀土合金發動機機匣、飛機傳動系統機匣、新型導彈艙體、空天飛行器關鍵結構件等等。

                                         2014年,吳國華團隊首次采用高強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任務,首次采用新一代鎂稀土合金替代鈦合金,成功鑄造了大型復雜異型薄壁形狀的主承力部件,多次飛行試驗均獲巨大成功,使我國在航空航天領域高強耐熱鎂稀土合金的應用成為首創,為我國國防事業做出了重大貢獻。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,能大幅提升飛行器飛行指標。這種新型鎂稀土合金材料具有高溫力學性能超強的特點,與傳統金屬材料隨著溫度升高抗拉強度下降情形相反,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,相對原設計,整體減重超過100公斤,這個減重效果對于克克計較的航天領域而言是巨大的。”科研成果于2017年獲得了國防技術發明一等獎,受到用戶的高度評價。

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

                                         接受這個項目的研制任務,對于吳國華來說是一個重要的節點。基于前些年扎實的實驗室基礎研究,吳國華才有底氣接受這個項目挑戰,2011年始,吳國華在某研究所及上海交大的支持和配合下,開始了大型復雜高強耐熱鎂稀土合金鑄件從無到有的研發,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在質量與性能指標要求。通過大量的試驗與技術攻關,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4年,終于按照用戶的時間節點,研制成功了滿足應用需求的合格產品。“整個過程太痛苦,用戶方代表天天催進度,多次被逼得想打退堂鼓,但在一種強烈使命感的驅動下,咬牙堅持著,團隊沒日沒夜的進行技術攻關,終獲成功。”

                                      大型復雜新型高強耐熱鎂稀土合金構件成功應用于我國航天重大專項中,獲得了用戶的高度評價。這個高強耐熱鎂稀土合金應用成功的范例,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用。

                                         面對未來,吳國華教授表示,我國應充分發揮鎂與稀土資源優勢,加大國家政策支持力度,立足于產學研用相結合,組建航空航天用鎂合金應用及產業化技術創新戰略聯盟,集中力量,聚焦高性能鎂稀土材料及控形控性技術開發與應用,搞好頂層設計,組織骨干隊伍,加強原始創新,提倡自主設計,促進自主應用,形成中國特色航空航天用鎂合金材料標準體系,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的快速發展提供強有力的材料技術支撐,繼而把中國鎂稀土材料推向世界,將我國鎂與稀土資源優勢轉化為經濟優勢,促進我國鎂及稀土產業的發展。

                                         吳國華教授簡介

                                         吳國華,男,1964年7月出生,博士,上海交通大學材料學院長聘教授、博士生導師。上海市優秀學科帶頭人,韓國機械與材料研究院高級訪問學者,輕合金精密成型國家工程研究中心副主任,上海航天先進材料及應用技術聯合實驗室主任。中國鎂合金材料與應用技術專業委員會副理事長、中國鑄造學會常務理事、中國鑄種鑄造及有色合金技術委員會副主任委員。

                                         近幾年,已主持國家973計劃課題、國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金、軍科委創新特區項目、國家航空與航天重大專項、國家863計劃、國家發改委新材料示范工程、總裝預研、國防科工局軍品配套、上海航天基金等科研項目60余項。科研成果在多個國家重大航天與航空專項中獲得應用,獲國家及省部級科技獎勵9項,在國內外重要刊物上發表學術論文200余篇,已授權國家發明專利55項。主要研究方向為:高性能鎂合金、鋁鋰合金材料開發;液態精密成型;半固態成型、材料能量場制備。

                                       

                                      責任編輯:陳巖

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