——上海交通大学吴国华团队的镁合金之旅
本刊记者 刘 佳

　　 在世界镁合金研究领域，上海交通大学丁文江院士领导的轻合金精密成型国家工程研究中心（以下简称“轻合金中心”）是一个金字招牌，该研究中心发表的论文总数、发明专利拥有数、应用部件开发数及开发能力均位居世界前列。
　　 2014年4月，喜讯再次传来，轻合金中心完成的“高强耐热镁合金材料及其在航天航空领域应用技术开发”项目荣获2013年度上海市技术发明奖一等奖。这一次，项目的第一完成人是轻合金中心副主任吴国华教授。

镁合金是潜力股

　　 说起镁合金的年龄，追溯到它的研究和应用上，也有一百多年的历史了。尤其是二战期间，镁合金在战斗机上焕发了生命力。为什么军方当时会钟情于镁合金？最大的好处就是减重，因为轻量化可以大幅度提高武器装备的战技性能。那场战争，成了镁合金发展的一个小高潮。人们积攒下大量有关镁的生产与设计方面的知识。二战结束后，镁合金也开始涉足民用工业，但收效不大。这与镁合金的局限性有关。从工艺上来看，镁合金的研发严重滞后，不能适应不同应用场合的要求。
　　 “镁合金材料选择范围小、强度低、耐热性差、净化困难、成型性能差、工艺与装备落后等缺点，严重阻碍了航天航空装备的轻量化进程和飞行指标的提高。”吴国华介绍说。
　　 与这个骨感的现实相比，镁合金其实是一种理想的轻合金材料，从不畏惧与其它金属比性能。论密度，镁只有铝的2/3，钢的1/4；提比强度与比刚度，镁合金的比强度在常用金属结构材料中名列第二位，仅次于钛合金；而比刚度则排第一位。说减震，镁的阻尼性绝对优于铸铁。它的可屏蔽电磁频率范围较广，切削力只有铝合金和软钢的1/2。从资源储量上来说，当前世界，铁铁、铝资源已趋于贫化，使用年限不超过300年；而镁的使用寿命却长达1000年，还能够可再生循环利用。难怪镁合金的研发即使存在瓶颈，仍被材料专家誉为“21世纪最具开发和应用潜力的绿色工程材料”，成为先进材料技术领域的竞争热点和重点。
　　 镁合金号称最轻的金属结构材料。如果说，二战时的数据还不够完善。那么，到现在，材料轻量化所带来的经济效益和性能改善调研就要完整的多了。商用飞机与汽车减轻相同重量带来的燃油费用节省，前者是后者的近100倍；而战斗机的燃油费用节省又是商用飞机的近10倍，更重要的是其机动性能改善可以极大地提高其战斗力和生存能力，具有重要战略意义。试验研究表明，航天飞行器每减重1g，节约发射燃料4kg；飞机减重1磅的经济效益：商用机为300美元，战斗机为3000美元，航天器为30000美元。
　　 “我们需要轻质高强耐热的镁合金。”吴国华十分确定这一点。我国航天航空与国防工业早已制定了明确的轻量化目标，如航空发动机推重比大于10，卫星结构质量降低5%左右，歼击机结构重量系数从32%～34%降至27%～28%，战略导弹弹头单位侧面积质量小于30kg/m²，战术导弹结构质量减轻30%以上。而国外发达国家也非常重视高性能镁合金的开发与应用，如美国B-36轰炸机就使用了8600kg镁合金零件。
　　 可以说，无论是国际还是国内，都将镁合金视为轻合金材料中的潜力股。几十年来，我国已经成为镁合金的资源、生产和出口大国，但我国现有镁合金材料及其技术体系基本上仍沿袭上世纪五六十年代前苏联的体系，真正的国字号极少。“我国同类型装备几乎均比国外超重10%以上。采用常规的主干材料，如铝合金和钢，已很难进一步减轻我国相关装备的重量，而采用现有的镁合金材料和加工工艺，可替代的铝构件和钢构件又非常有限。”认清了形势之后，吴国华团队决定走自给自足的路子。为此，国家航天重大专项、航空重大专项、“973”计划、“863”计划等课题均对吴国华团队的系列研究投入了相当的支持。

做中国的镁合金

　　 决定要做这个项目后，吴国华开始梳理头绪。根据调研结果，国外在军用镁合金方面仍然沿用上世纪开发的镁合金如WE54、WE43等。如果我国也沿袭这个方向，只会落在人家后面。反复推敲之后，轻合金中心科研团队选定了“稀土”，把镁-稀土（尤其是重稀土）系新型合金的强化、耐热机制研究与成分作为项目的核心，希望能就此研制出一种高强耐热镁合金材料。那么，到底要怎么得到这种新型镁合金材料呢？就得围绕其成型的关键环节——纯净化、细晶化与组织调控、精密成型，进行一系列的技术创新。
　　 一个好的开始是成功的一半。定好基调后，整个团队开始了有条不紊的工作。从2002年6月1日，一直到2011年2月28日，他们用近9年的时光完成了一项项原创性的成果。
　　 轻合金中心以我国富有的Gd、Y、Sm、RE等稀土元素（尤其是重稀土元素）为基础，在合金化的过程中，研究了Mg-Gd-Y系镁稀土合金的显微组织和精细结构，阐明了稀土镁合金复合强韧化理论，确定了Mg-Gd-Y镁合金时效析出序列，研制出了具有自主知识产权的Mg-Gd-Y高强耐热镁合金材料。这种高强耐热镁合金被他们命名为JDM2。其铸造室温抗拉强度大于400MPa、屈服强度大于350MPa、延伸率大于5%；300℃高温抗拉强度大于265MPa、屈服强度大于210MPa、延伸率大于29%。
　　 “在Mg-Gd-Y-Zr 镁合金的稀土合金化及强化机制等方面有重要创新，所研制的镁合金材料达到了国际领先水平。”2005年12月，教育部组织的鉴定会上为“高强耐蚀变形镁合金的研制”做了这样的结论。
　　 一出手就解决了耐热性差和强度低的问题，轻合金中心科研团队并不认为值得沾沾自喜，相反，他们前面的路还有很长。
　　 而后，针对镁合金易氧化燃烧、夹杂难以去除、稀土元素成分难以控制的特点，他们提出了镁熔体中夹杂物加速传递模型、揭示了镁熔体中稀土元素动态损耗机制。吴国华更是“集高强耐热Mg-Gd-Y镁合金精炼熔剂、除铁除硅熔剂、镁熔体净化装置、镁合金熔体保护装置于一体的复合净化系统”的主要发明人。“这套系统第一次实现了镁液中氧化夹杂的高效去除和稀土元素的烧损率控制，解决了镁稀土合金纯净化的世界性难题。”这一点，在2010年10月的鉴定会上得到了证实。那场鉴定会的专家组由我国著名有色金属专家左铁镛院士等组成，认为吴国华团队的成果可以“实现10μm以上夹渣夹杂的高效去除，稀土元素的烧损率低于5%”。而此前，稀土元素的损耗率高达30%。
　　 在细晶化与凝固组织调控方面，轻合金中心科研团队发明了镁钆钇三元中间合金的制备方法与镁合金熔炼的锆复合饼细化剂。他们提出了电流与Zr联用复合细化镁合金凝固组织的方法，开发了镁合金在线成分检测与凝固组织控制的方法及装置，有效调控了镁合金熔体的预结晶组织与结构，实现了铸态组织微细化和均质化。
　　 轻合金中心另一项值得称道的工作，便是针对镁合金化学活性强、成型过程中易与铸型材料发生化学反应甚至燃烧，以至铸件表面质量差、精度低的应用瓶颈问题，发明了镁合金金属型铸造涂料，创新了非占位式转移涂料及涂层转移制芯技术，开发了镁合金砂型铸造用树脂自硬砂与树脂砂砂型铸造用阻燃剂，发明了镁合金低压铸造坩埚的密封材料与铸造升液管涂料，研制了镁合金涂层转移砂型精密低压铸造工艺。攻克了镁合金铸造充型过程中易氧化燃烧的难题，大幅度提高了铸件的尺寸精度与表面质量。而这些研究也被认为是突破了大型复杂镁合金铸件的尺寸精度低、表面质量差的瓶颈。
　　 这是世界上首次实现大型复杂高强耐热镁合金部件制造，整个研发过程都备受关注。到项目结题，吴国华团队拿到了20余项发明专利，在高强耐热稀土镁合金材料、镁熔体纯净化与细晶化、镁合金精密成形技术、工艺装备等应用技术方面形成了自主知识产权的技术群。
　　 到现在，他们发表高水平学术论文20余篇，论文引用次数677次，2009年10月举办的亚洲镁合金大会上，他们的相关成果论文还被评为优秀论文一等奖，引起了国际学术界的高度关注。
　　 他们也实现了最初的理想——在技术上摆脱其他国家的影子，做真正的中国的镁合金材料。

有用是材料的灵魂

　　 上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心成立于2000年3月。半年后，吴国华就来到了这所轻合金中心进行博士后研究。他，已经算得上是轻合金中心的“老人”了。
　　 这位江西学者的路线图其实很集中。1981年9月，他考入合肥工业大学，1985年7月获学士学位。1988年7月，获得东南大学硕士学位后，在合肥工业大学材料学院任职。之后的九年，他勤勤恳恳，从一个小小的助教，逐渐晋为副教授和教研室主任。
　　 心怀梦想的人总是觉得视野不够开阔，吴国华也一样，在安稳静好的日子里，他越来越觉得需要进一步充实才能迈得开步子。1997年暑假之后，他没有像往常一样返校，而是坐上了去武汉的列车。在那里，他将在华中科技大学开始新一轮的求学。三年的时光，不长也不短，吴国华却发现镁合金研究其实别有洞天。拿到博士学位后，他没有急着去落实职称上的名分，反而选择了再次出发。这一回，他的目的地是上海交通大学轻合金中心。
　　 轻合金中心并不是凭空冒出来的。它的前身是上海交通大学材料学院有色合金教研室和铸造研究所。从上世纪50年代到80年代初，教研室打响的是“交大铝”的牌子。镁合金，已经是上世纪80年代初期之后的事了。从那时起，教研室逐步将研究重点从铝合金转移到镁合金上，经过十多年的积累，才得到国家发改委和上海交通大学的点头，在2000年初成立了这所国家级的工程研究中心。这也意味着，轻合金研究所将迈入一个新的时代，一个关于镁合金的时代。吴国华此时加入，可谓正逢其时。
　　 “材料就是有用的物质，有用是材料研究的灵魂，材料的研究如果不是瞄准应用，就不能算是在研究材料，所研究的具体问题，必须是来自于产业需求，再回到产业需求中去检验。”轻合金中心现任主任丁文江院士说。
　　 轻合金中心的人都很认同这一点，他们向来以“发展镁科技、实现产业化”作为研究目标，吴国华自然也不例外。“高强耐热镁合金材料及其在航天航空领域应用技术开发”系列项目开展之后，他瞄准的就是镁合金材料在航天航空、国防军工、轨道交通、汽车等军民领域的应用前景都十分广阔。
　　 “上海交通大学研制成功了国家某重大专项的大型复杂高强耐热镁合金铸件，该零件为型号的关键部件之一，材料力学性能尤其是高温力学性能比现有镁合金材料提高了近一倍，经考核验证满足该重大专项的技术要求，拓展了镁合金材料在航天领域的应用，具有重大的社会效益，为国防工业的发展做出了显著贡献。”北京某航天研究所在用户报告上认真地书写道。
　　 其实，类似的评价，吴国华团队收到了很多，在他们利用该项目为航天航空、国防工业配套了十余种、几百件/套关键部件之后，中国航空集团某研究所、上海某航天研究所等多家单位都为他们点了赞。
　　 2009年8月，由总装备部材料专家组组长才鸿年院士及清华大学柳百成院士等组成专家组对“面向未来xxxx的高性能镁合金基础研究”项目成果验收，认为他们的成果“为武器装备的轻量化、建立中国特色的军用高性能镁合金技术体系等方面提供了强有力的技术支撑。”
无独有偶，有心人特意针对镁合金应用做了检索和查新，结果显示：国内外没有发现采用如该项目这样高强耐热镁合金在航天航空、国防军工装备上的应用，他们是世界首创。
　　 对于吴国华来说，国防应用并非他们的终点，好的东西应该与大家分享。在项目进展过程中，上海交通大学以技术转让、入股或合资的形式与多家企业合作，将相关技术推广应用于汽车等民用领域。据不完全统计，从2010年至2012年，累计已实现新增产值13316万元，新增利润2633万元，新增税收1329万元，新增节支总额1473万元。
　　 他们要让镁合金去适应不同场合，从小众走向大众，从中国走向世界。这是吴国华的追求，也是整个团队的向往。他们有这个自信。