把潛力股做成績優股
——上海交通大學吳國華團隊的鎂合金之旅

本刊記者 劉 佳

把潛力股做成績優股
——上海交通大學吳國華團隊的鎂合金之旅

本刊記者 劉 佳

吳國華在國際會議上做學術報告

在世界鎂合金研究領域，上海交通大學丁文江院士領導的輕合金精密成型國家工程研究中心（以下簡稱“輕合金中心”）是一個金字招牌，該研究中心發表的論文總數、發明專利擁有數、應用部件開發數及開發能力均位居世界前列。

2014年4月，喜訊再次傳來，輕合金中心完成的“高強耐熱鎂合金材料及其在航天航空領域應用技術開發”項目榮獲2013年度上海市技術發明獎一等獎。這一次，項目的第一完成人是輕合金中心副主任吳國華教授。

鎂合金是潛力股

說起鎂合金的年齡，追溯到它的研究和應用上，也有一百多年的歷史了。尤其是二戰期間，鎂合金在戰斗機上煥發了生命力。為什么軍方當時會鐘情于鎂合金？最大的好處就是減重，因為輕量化可以大幅度提高武器裝備的戰技性能。那場戰爭，成了鎂合金發展的一個小高潮。人們積攢下大量有關鎂的生產與設計方面的知識。二戰結束后，鎂合金也開始涉足民用工業，但收效不大。這與鎂合金的局限性有關。從工藝上來看，鎂合金的研發嚴重滯后，不能適應不同應用場合的要求。

“鎂合金材料選擇范圍小、強度低、耐熱性差、凈化困難、成型性能差、工藝與裝備落后等缺點，嚴重阻礙了航天航空裝備的輕量化進程和飛行指標的提高。”吳國華介紹說。

與這個骨感的現實相比，鎂合金其實是一種理想的輕合金材料，從不畏懼與其它金屬比性能。論密度，鎂只有鋁的2/3，鋼的1/4；提比強度與比剛度，鎂合金的比強度在常用金屬結構材料中名列第二位，僅次于鈦合金；而比剛度則排第一位。說減震，鎂的阻尼性絕對優于鑄鐵。它的可屏蔽電磁頻率范圍較廣，切削力只有鋁合金和軟鋼的1/2。從資源儲量上來說，當前世界，鐵鐵、鋁資源已趨于貧化，使用年限不超過300年；而鎂的使用壽命卻長達1000年，還能夠可再生循環利用。難怪鎂合金的研發即使存在瓶頸，仍被材料專家譽為“21世紀最具開發和應用潛力的綠色工程材料”，成為先進材料技術領域的競爭熱點和重點。

鎂合金號稱最輕的金屬結構材料。如果說，二戰時的數據還不夠完善。那么，到現在，材料輕量化所帶來的經濟效益和性能改善調研就要完整的多了。商用飛機與汽車減輕相同重量帶來的燃油費用節省，前者是后者的近100倍；而戰斗機的燃油費用節省又是商用飛機的近10倍，更重要的是其機動性能改善可以極大地提高其戰斗力和生存能力，具有重要戰略意義。試驗研究表明，航天飛行器每減重1g，節約發射燃料4kg；飛機減重1磅的經濟效益：商用機為300美元，戰斗機為3000美元，航天器為30000美元。

“我們需要輕質高強耐熱的鎂合金。”吳國華十分確定這一點。我國航天航空與國防工業早已制定了明確的輕量化目標，如航空發動機推重比大于10，衛星結構質量降低5%左右，殲擊機結構重量系數從32%～34%降至27%～28%，戰略導彈彈頭單位側面積質量小于30kg/m2，戰術導彈結構質量減輕30%以上。而國外發達國家也非常重視高性能鎂合金的開發與應用，如美國B-36轟炸機就使用了8600kg鎂合金零件。

可以說，無論是國際還是國內，都將鎂合金視為輕合金材料中的潛力股。幾十年來，我國已經成為鎂合金的資源、生產和出口大國，但我國現有鎂合金材料及其技術體系基本上仍沿襲上世紀五六十年代前蘇聯的體系，真正的國字號極少。“我國同類型裝備幾乎均比國外超重10%以上。采用常規的主干材料，如鋁合金和鋼，已很難進一步減輕我國相關裝備的重量，而采用現有的鎂合金材料和加工工藝，可替代的鋁構件和鋼構件又非常有限。”認清了形勢之后，吳國華團隊決定走自給自足的路子。為此，國家航天重大專項、航空重大專項、“973”計劃、“863”計劃等課題均對吳國華團隊的系列研究投入了相當的支持。

做中國的鎂合金

決定要做這個項目后，吳國華開始梳理頭緒。根據調研結果，國外在軍用鎂合金方面仍然沿用上世紀開發的鎂合金如WE54、WE43等。如果我國也沿襲這個方向，只會落在人家后面。反復推敲之后，輕合金中心科研團隊選定了“稀土”，把鎂-稀土（尤其是重稀土）系新型合金的強化、耐熱機制研究與成分作為項目的核心，希望能就此研制出一種高強耐熱鎂合金材料。那么，到底要怎么得到這種新型鎂合金材料呢？就得圍繞其成型的關鍵環節——純凈化、細晶化與組織調控、精密成型，進行一系列的技術創新。

一個好的開始是成功的一半。定好基調后，整個團隊開始了有條不紊的工作。從2002年6月1日，一直到2011年2月28日，他們用近9年的時光完成了一項項原創性的成果。

輕合金中心以我國富有的Gd、Y、Sm、RE等稀土元素（尤其是重稀土元素）為基礎，在合金化的過程中，研究了Mg-Gd-Y系鎂稀土合金的顯微組織和精細結構，闡明了稀土鎂合金復合強韌化理論，確定了Mg-Gd-Y鎂合金時效析出序列，研制出了具有自主知識產權的Mg-Gd-Y高強耐熱鎂合金材料。這種高強耐熱鎂合金被他們命名為JDM2。其鑄造室溫抗拉強度大于400MPa、屈服強度大于350MPa、延伸率大于5%；300℃高溫抗拉強度大于265MPa、屈服強度大于210MPa、延伸率大于29%。

吳國華教授在試驗現場

“在Mg-Gd-Y-Zr 鎂合金的稀土合金化及強化機制等方面有重要創新，所研制的鎂合金材料達到了國際領先水平。”2005年12月，教育部組織的鑒定會上為“高強耐蝕變形鎂合金的研制”做了這樣的結論。

一出手就解決了耐熱性差和強度低的問題，輕合金中心科研團隊并不認為值得沾沾自喜，相反，他們前面的路還有很長。

而后，針對鎂合金易氧化燃燒、夾雜難以去除、稀土元素成分難以控制的特點，他們提出了鎂熔體中夾雜物加速傳遞模型、揭示了鎂熔體中稀土元素動態損耗機制。吳國華更是“集高強耐熱Mg-Gd-Y鎂合金精煉熔劑、除鐵除硅熔劑、鎂熔體凈化裝置、鎂合金熔體保護裝置于一體的復合凈化系統”的主要發明人。“這套系統第一次實現了鎂液中氧化夾雜的高效去除和稀土元素的燒損率控制，解決了鎂稀土合金純凈化的世界性難題。”這一點，在2010年10月的鑒定會上得到了證實。那場鑒定會的專家組由我國著名有色金屬專家左鐵鏞院士等組成，認為吳國華團隊的成果可以“實現10μm以上夾渣夾雜的高效去除，稀土元素的燒損率低于5%”。而此前，稀土元素的損耗率高達30%。

在細晶化與凝固組織調控方面，輕合金中心科研團隊發明了鎂釓釔三元中間合金的制備方法與鎂合金熔煉的鋯復合餅細化劑。他們提出了電流與Zr聯用復合細化鎂合金凝固組織的方法，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，實現了鑄態組織微細化和均質化。

輕合金中心另一項值得稱道的工作，便是針對鎂合金化學活性強、成型過程中易與鑄型材料發生化學反應甚至燃燒，以至鑄件表面質量差、精度低的應用瓶頸問題，發明了鎂合金金屬型鑄造涂料，創新了非占位式轉移涂料及涂層轉移制芯技術，開發了鎂合金砂型鑄造用樹脂自硬砂與樹脂砂砂型鑄造用阻燃劑，發明了鎂合金低壓鑄造坩堝的密封材料與鑄造升液管涂料，研制了鎂合金涂層轉移砂型精密低壓鑄造工藝。攻克了鎂合金鑄造充型過程中易氧化燃燒的難題，大幅度提高了鑄件的尺寸精度與表面質量。而這些研究也被認為是突破了大型復雜鎂合金鑄件的尺寸精度低、表面質量差的瓶頸。

這是世界上首次實現大型復雜高強耐熱鎂合金部件制造，整個研發過程都備受關注。到項目結題，吳國華團隊拿到了20余項發明專利，在高強耐熱稀土鎂合金材料、鎂熔體純凈化與細晶化、鎂合金精密成形技術、工藝裝備等應用技術方面形成了自主知識產權的技術群。

到現在，他們發表高水平學術論文20余篇，論文引用次數677次，2009年10月舉辦的亞洲鎂合金大會上，他們的相關成果論文還被評為優秀論文一等獎，引起了國際學術界的高度關注。

他們也實現了最初的理想——在技術上擺脫其他國家的影子，做真正的中國的鎂合金材料。

航天科技集團領導來訪

有用是材料的靈魂

上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心成立于2000年3月。半年后，吳國華就來到了這所輕合金中心進行博士后研究。他，已經算得上是輕合金中心的“老人”了。

這位江西學者的路線圖其實很集中。1981年9月，他考入合肥工業大學，1985年7月獲學士學位。1988年7月，獲得東南大學碩士學位后，在合肥工業大學材料學院任職。之后的九年，他勤勤懇懇，從一個小小的助教，逐漸晉為副教授和教研室主任。

心懷夢想的人總是覺得視野不夠開闊，吳國華也一樣，在安穩靜好的日子里，他越來越覺得需要進一步充實才能邁得開步子。1997年暑假之后，他沒有像往常一樣返校，而是坐上了去武漢的列車。在那里，他將在華中科技大學開始新一輪的求學。三年的時光，不長也不短，吳國華卻發現鎂合金研究其實別有洞天。拿到博士學位后，他沒有急著去落實職稱上的名分，反而選擇了再次出發。這一回，他的目的地是上海交通大學輕合金中心。

輕合金中心并不是憑空冒出來的。它的前身是上海交通大學材料學院有色合金教研室和鑄造研究所。從上世紀50年代到80年代初，教研室打響的是“交大鋁”的牌子。鎂合金，已經是上世紀80年代初期之后的事了。從那時起，教研室逐步將研究重點從鋁合金轉移到鎂合金上，經過十多年的積累，才得到國家發改委和上海交通大學的點頭，在2000年初成立了這所國家級的工程研究中心。這也意味著，輕合金研究所將邁入一個新的時代，一個關于鎂合金的時代。吳國華此時加入，可謂正逢其時。

“材料就是有用的物質，有用是材料研究的靈魂，材料的研究如果不是瞄準應用，就不能算是在研究材料，所研究的具體問題，必須是來自于產業需求，再回到產業需求中去檢驗。”輕合金中心現任主任丁文江院士說。

輕合金中心的人都很認同這一點，他們向來以“發展鎂科技、實現產業化”作為研究目標，吳國華自然也不例外。“高強耐熱鎂合金材料及其在航天航空領域應用技術開發”系列項目開展之后，他瞄準的就是鎂合金材料在航天航空、國防軍工、軌道交通、汽車等軍民領域的應用前景都十分廣闊。

“上海交通大學研制成功了國家某重大專項的大型復雜高強耐熱鎂合金鑄件，該零件為型號的關鍵部件之一，材料力學性能尤其是高溫力學性能比現有鎂合金材料提高了近一倍，經考核驗證滿足該重大專項的技術要求，拓展了鎂合金材料在航天領域的應用，具有重大的社會效益，為國防工業的發展做出了顯著貢獻。”北京某航天研究所在用戶報告上認真地書寫道。

其實，類似的評價，吳國華團隊收到了很多，在他們利用該項目為航天航空、國防工業配套了十余種、幾百件/套關鍵部件之后，中國航空集團某研究所、上海某航天研究所等多家單位都為他們點了贊。

2009年8月，由總裝備部材料專家組組長才鴻年院士及清華大學柳百成院士等組成專家組對“面向未來xxxx的高性能鎂合金基礎研究”項目成果驗收，認為他們的成果“為武器裝備的輕量化、建立中國特色的軍用高性能鎂合金技術體系等方面提供了強有力的技術支撐。”

無獨有偶，有心人特意針對鎂合金應用做了檢索和查新，結果顯示：國內外沒有發現采用如該項目這樣高強耐熱鎂合金在航天航空、國防軍工裝備上的應用，他們是世界首創。

對于吳國華來說，國防應用并非他們的終點，好的東西應該與大家分享。在項目進展過程中，上海交通大學以技術轉讓、入股或合資的形式與多家企業合作，將相關技術推廣應用于汽車等民用領域。據不完全統計，從2010年至2012年，累計已實現新增產值13316萬元，新增利潤2633萬元，新增稅收1329萬元，新增節支總額1473萬元。

他們要讓鎂合金去適應不同場合，從小眾走向大眾，從中國走向世界。這是吳國華的追求，也是整個團隊的向往。他們有這個自信。