尚鎂網(wǎng)訊，在我國(guó)中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中，有多個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域、優(yōu)先主題和重大科技專項(xiàng)對(duì)輕量化材料提出了明確而迫切的重大需求，如“大型飛機(jī)”、“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)”、“空天工程”、“深空探測(cè)”等對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)的先進(jìn)金屬材料均有迫切的應(yīng)用需求?？梢哉f(shuō)，材料“減重”已成為我國(guó)航天航空、國(guó)防工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要且緊迫的任務(wù)。那么，我國(guó)在材料輕型化方面的研究和實(shí)踐處于什么樣的狀況呢?為此，我們采訪了材料工程方面的權(quán)威專家吳國(guó)華教授。

　　材料輕型化需求迫切

　　吳國(guó)華，1964年7月生，現(xiàn)任上海交通大學(xué)材料學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師;上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人，輕合金精密成型國(guó)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(guó)鎂合金材料與應(yīng)用技術(shù)專業(yè)委員會(huì)副理事長(zhǎng)。

　　當(dāng)前，我國(guó)航空航天、國(guó)防軍工、軌道交通、汽車等領(lǐng)域?qū)Σ牧陷p量化都提出了迫切需求。就航空器而言，材料輕量化帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和性能改善十分顯著。吳國(guó)華指出，商用飛機(jī)與汽車減輕相同重量帶來(lái)的燃油費(fèi)用節(jié)省，前者是后者的近100倍;而戰(zhàn)斗機(jī)的燃油費(fèi)用節(jié)省又是商用飛機(jī)的近10倍，更重要的是其機(jī)動(dòng)性能改善可以極大地提高其戰(zhàn)斗力和生存能力，具有重要戰(zhàn)略意義。試驗(yàn)研究表明，航天飛行器每減重1克，可節(jié)約發(fā)射燃料4公斤。而飛機(jī)減重1磅的經(jīng)濟(jì)效益：商用機(jī)為300美元，戰(zhàn)斗機(jī)為3000美元，航天器為30000美元。

　　與鋁合金、鋼鐵等結(jié)構(gòu)材料相比，鎂合金具有更加優(yōu)越的輕量化潛力，發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視高性能鎂合金的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，如美國(guó)B-36轟炸機(jī)使用了8600kg鎂合金零件。鎂合金具有密度小，比強(qiáng)度比剛度高，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好，減震與電磁屏蔽能力強(qiáng)，容易加工，無(wú)污染無(wú)毒性，可回收利用和環(huán)保等特點(diǎn)，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色金屬結(jié)構(gòu)材料”。許多國(guó)家將其視為21世紀(jì)的重要戰(zhàn)略物資，提出了若干重大的研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃。因此認(rèn)識(shí)且重視鎂合金的開(kāi)發(fā)與利用，意義深遠(yuǎn)。

　　20世紀(jì)30年代，人們發(fā)現(xiàn)輕稀土元素的加入可以大大提高鎂合金的綜合力學(xué)性能，從而開(kāi)啟了稀土鎂合金材料研究的序幕。我國(guó)具有豐富的鎂資源和稀土資源，這使得我國(guó)在研究稀土鎂合金方面具有一定優(yōu)勢(shì)，有助于開(kāi)發(fā)出具有中國(guó)優(yōu)勢(shì)資源的高性能輕質(zhì)稀土鎂合金材料，必將對(duì)鎂合金材料及稀土材料的發(fā)展起到一定推動(dòng)作用。因此我們應(yīng)充分利用我國(guó)優(yōu)勢(shì)鎂與稀土資源，發(fā)展具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能鎂合金材料、制備與成型加工技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)、解決現(xiàn)有鎂合金強(qiáng)度低、耐熱性差、成型性差的技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)裝備關(guān)鍵部件的材料替代和減 重目標(biāo)。

　　數(shù)年來(lái)，吳國(guó)華及其課題組在國(guó)家航天重大專項(xiàng)、航空重大專項(xiàng)、973計(jì)劃、總裝預(yù)研與軍品配套課題等項(xiàng)目支持下，利用我國(guó)鎂與稀土優(yōu)勢(shì)資源，發(fā)展了具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能航天航空鎂合金材料、制備與成型加工技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)，攻克了現(xiàn)有鎂合金強(qiáng)度低、耐熱性差、成型性差的技術(shù)難題，取得了一系列創(chuàng)造性成果。

　　吳國(guó)華已主持國(guó)家973計(jì)劃課題、國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家航天重大專項(xiàng)、國(guó)家航空重大專項(xiàng)、國(guó)家科技支撐計(jì)劃、國(guó)家博士點(diǎn)基金、總裝預(yù)研、國(guó)防科工局軍品配套、上海航天基金等科研項(xiàng)目30余項(xiàng)?？蒲谐晒诙鄠€(gè)國(guó)家重大航天與航空專項(xiàng)中獲得應(yīng)用，獲國(guó)家及省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)7項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外重要刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文180余篇，作為第一發(fā)明人已授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)。

　　鎂合金研究任重道遠(yuǎn)

　　鎂合金作為最具發(fā)展前景的金屬材料之一，已經(jīng)受到了發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。隨著鎂合金研究的深入及材料性能的提高，高性能鎂合金在航空航天、國(guó)防軍工、軌道交通、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多。

　　鎂鋰合金是目前密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料，被稱為超輕合金，并具有優(yōu)良的減震性能與低溫韌性，在航空航天、國(guó)防軍工及民用領(lǐng)域等有著廣闊的應(yīng)用前景，能夠更好地滿足航空航天以及國(guó)防工業(yè)進(jìn)一步輕量化的需求。當(dāng)今發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視鎂鋰合金的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，在20世紀(jì)初便開(kāi)始了該合金的研究與開(kāi)發(fā)，在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面都取得了很大成就，美國(guó)和前蘇聯(lián)已有鎂鋰系合金牌號(hào)，并在火箭、衛(wèi)星、宇宙飛船、軍用運(yùn)輸車、醫(yī)療器械及電子產(chǎn)品等方面獲得了應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)在這方面的研究則較為落后。

　　至今鎂鋰合金研究與小規(guī)模應(yīng)用主要集中于變形合金方面，但變形鎂鋰合金加工周期長(zhǎng)、工序多、工藝成本高、經(jīng)濟(jì)性差，且難以成形外形復(fù)雜、尺寸厚薄不均的部件，這大大限制了鎂鋰合金的應(yīng)用范圍。

　　吳國(guó)華建議，我國(guó)應(yīng)充分發(fā)揮鎂與稀土資源優(yōu)勢(shì)，加大國(guó)家政策支持力度，立足于產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，組建鎂合金應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟。以航空航天、國(guó)防軍工和汽車產(chǎn)品研制為牽引，以開(kāi)展鎂-稀土(尤其是重稀土)系和鎂鋰系新型合金的強(qiáng)化、耐熱機(jī)制研究與成分設(shè)計(jì)為核心，集中力量，聚焦高性能鎂稀土材料及控形控性技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，搞好頂層設(shè)計(jì)，明確工作目標(biāo)，鼓勵(lì)學(xué)科交叉，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，研制出新型高性能高強(qiáng)耐熱稀土鎂合金和超輕鑄造鎂鋰合金，形成具有中國(guó)資源特色的高性能鎂合金材料標(biāo)準(zhǔn)體系。在此基礎(chǔ)上，圍繞新型合金的成型關(guān)鍵環(huán)節(jié)(純凈化、細(xì)晶化與組織調(diào)控、精密成型)進(jìn)行一系列技術(shù)創(chuàng)新，使鎂合金成為中國(guó)輕量化材料的王牌，為我國(guó)航天航空、國(guó)防、交通等領(lǐng)域的快速發(fā)展提供強(qiáng)有力的材料技術(shù)支撐，繼而把中國(guó)鎂稀土材料推向世界，將我國(guó)鎂與稀土資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)我國(guó)鎂及稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　 自主創(chuàng)新，碩果累累

　　近幾年，上海交通大學(xué)輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心在中國(guó)工程院院士丁文江的領(lǐng)導(dǎo)下，在高性能鎂合金材料開(kāi)發(fā)及應(yīng)用方面取得了一系列重大科研成果。吳國(guó)華及其課題組通過(guò)努力闡明了稀土鎂合金強(qiáng)韌化理論與耐熱機(jī)制，開(kāi)發(fā)了國(guó)際領(lǐng)先水平的高強(qiáng)耐熱新型鎂稀土合金材料，力學(xué)性能尤其是高溫力學(xué)性能比現(xiàn)有鎂合金材料提高了近一倍，揭示了鎂熔體中稀土元素動(dòng)態(tài)損耗機(jī)制，發(fā)明了稀土鎂合金復(fù)合凈化系統(tǒng)，解決了鎂稀土合金純凈化及稀土損耗的世界性難題。

　　吳國(guó)華教授及其團(tuán)隊(duì)圍繞國(guó)家科技發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，重點(diǎn)針對(duì)鎂合金材料及其加工工藝的發(fā)展前沿，開(kāi)展基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新，積極參與承擔(dān)和組織國(guó)家重大科研項(xiàng)目和核心技術(shù)的攻關(guān)。針對(duì)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(wèn)題，吳國(guó)華教授采用系列成套原創(chuàng)性工藝與技術(shù)，攻克了鎂合金熔體純凈度低、易氧化燃燒、鑄件組織不致密、內(nèi)部縮孔縮松及熱裂等難題，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，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(shù)脂砂型低壓鑄造，開(kāi)發(fā)了多種航天航空關(guān)鍵重要部件，保證了國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)的順利實(shí)施，滿足了國(guó)家重大戰(zhàn)略需求。為國(guó)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(huì)效益。這些應(yīng)用均屬國(guó)際首創(chuàng)。

　　稀土元素被稱為“工業(yè)味精”，是我國(guó)的富有資源，在鎂鋰合金中添加稀土元素，能夠形成具有較高熱穩(wěn)定性的金屬間化合物，改善合金的力學(xué)性能。同時(shí)稀土元素的加入，還能在鎂鋰合金中起到晶粒細(xì)化的作用，這也有利于提高鎂鋰合金的綜合力學(xué)性能。因此，基于我國(guó)資源優(yōu)勢(shì)，研究開(kāi)發(fā)新型高性能鎂鋰-稀土合金，是提高鎂鋰合金強(qiáng)度的可行途徑。當(dāng)前，鑄造鎂鋰合金研究極少，尚缺乏鑄造鎂鋰合金牌號(hào)，鑄造鎂鋰合金研究和開(kāi)發(fā)已成為鎂鋰合金領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，有望為促進(jìn)鎂鋰合金在航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用做出積極的貢獻(xiàn)。

　　吳國(guó)華教授及其團(tuán)隊(duì)在上海航天基金的資助下，基于航天領(lǐng)域?qū)Τp高性能鑄造鎂鋰合金的迫切需求，以我國(guó)富有的Nd、Y、Gd稀土元素進(jìn)行微合金化的技術(shù)路線，探索了稀土元素在鑄造鎂鋰合金中的存在形式與強(qiáng)化機(jī)理，選擇兼具較好的強(qiáng)度、塑性，同時(shí)有著良好減重效果的Mg-8Li合金作為基礎(chǔ)合金，實(shí)現(xiàn)了鑄造鎂鋰合金成分設(shè)計(jì)理論與方法的新突破，研制成功了原創(chuàng)性的鑄造鎂鋰合金Mg-8Li-x(3Zn-Gd)合金，基于系列固溶與時(shí)效熱處理研究，獲得了最佳熱處理工藝，大幅度提高了鑄造鎂鋰合金的力學(xué)性能。此外，課題組采用開(kāi)發(fā)的新型高延性耐熱Mg-Y-RE鎂合金結(jié)合樹(shù)脂砂型低壓鑄造技術(shù)，開(kāi)發(fā)了國(guó)家航空重大專項(xiàng)某新型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)匣，該項(xiàng)目屬國(guó)家重大高新工程，已交付產(chǎn)品60余套。

　　吳國(guó)華課題組還提出了電流與鋯聯(lián)用復(fù)合細(xì)化鎂合金凝固組織的方法，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)了鑄態(tài)組織微細(xì)化和均質(zhì)化;攻克了鎂合金鑄造充型過(guò)程中易氧化燃燒的難題，突破了大型復(fù)雜鎂合金鑄件的尺寸精度低、表面質(zhì)量差的瓶頸。該課題組首次實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜高強(qiáng)耐熱鎂合金部件制造，研究成果已在航天、航空等多個(gè)國(guó)家重大專項(xiàng)中獲得應(yīng)用，具有極大的社會(huì)效益，為國(guó)防工業(yè)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)?？蒲谐晒?ldquo;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(kāi)發(fā)”在2014年被授予上海市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)?；谏鲜龅目蒲泄ぷ?，吳國(guó)華課題組申請(qǐng)與授權(quán)了國(guó)家發(fā)明專利30余項(xiàng)，發(fā)表了高水平學(xué)術(shù)論文80余篇。

　　相信隨著研究的進(jìn)一步深入，在吳國(guó)華教授的帶領(lǐng)下，假以時(shí)日，課題組會(huì)取得更加輝煌的成就，使我國(guó)在材料輕質(zhì)化領(lǐng)域科學(xué)研究逐漸處于世界領(lǐng)先的地位。