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        吳國華教授團隊開發的高強耐熱鎂稀土合金“再立新功”

         發表于2022/7/8 20:16:29 鎂稀土合金吳國華上海交大

        吳國華教授

        原標題:上海交通大學吳國華教授團隊十年磨礪,高強耐熱鎂稀土合金再立新功

        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,突破性地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,為項目的順利實施作出了重大貢獻。

        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。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。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。

        交大輕合金中心的吳國華教授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。

        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。

        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,團隊沒日沒夜地進行技術攻關,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。

        本文來自:交大輕合金

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