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发挥中国战略资源优势,开发轻质高性能稀土镁合金材料
发表时间 2017-07-03 11:10 来源 本站原创
  访上海交通大学吴国华教授   在我国中长期科学和技术发展规划中,有多个重点领域、优先主题和重大科技专项对轻量化材料提出了明确而迫切的重大需求,如“大型飞机”、“高分辨率对地观测系统”、“空天工程”、“深空探测”等对轻质高强的先进金属材料均有迫切的应用需求。可以说,材料“减重”已成为我国航天航空、国防工业发展的一个重要且紧迫的任务。那么,我国在材料轻型化方面的研究和实践处于什么样的状况呢?为此,我们采访了材料工程方面的权威专家吴国华教授。   材料轻型化需求迫切   吴国华,1964年7月生,现任上海交通大学材料学院教授,博士生导师;上海市优秀学科带头人,轻合金精密成型国家工程研究中心副主任,上海航天先进材料及应用技术联合实验室主任,中国镁合金材料与应用技术专业委员会副理事长。   当前,我国航空航天、国防军工、轨道交通、汽车等领域对材料轻量化都提出了迫切需求。就航空器而言,材料轻量化带来的经济效益和性能改善十分显著。吴国华指出,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1克,可节约发射燃料4公斤。而飞机减重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。   与铝合金、钢铁等结构材料相比,镁合金具有更加优越的轻量化潜力,发达国家非常重视高性能镁合金的开发与应用,如美国B-36轰炸机使用了8600kg镁合金零件。镁合金具有密度小,比强度比刚度高,导电导热性能好,减震与电磁屏蔽能力强,容易加工,无污染无毒性,可回收利用和环保等特点,被誉为“21世纪绿色金属结构材料”。许多国家将其视为21 世纪的重要战略物资,提出了若干重大的研究与开发计划。因此认识且重视镁合金的开发与利用,意义深远。   20世纪30年代,人们发现轻稀土元素的加入可以大大提高镁合金的综合力学性能,从而开启了稀土镁合金材料研究的序幕。我国具有丰富的镁资源和稀土资源,这使得我国在研究稀土镁合金方面具有一定优势,有助于开发出具有中国优势资源的高性能轻质稀土镁合金材料,必将对镁合金材料及稀土材料的发展起到一定推动作用。因此我们应充分利用我国优势镁与稀土资源,发展具有独立自主知识产权的高性能镁合金材料、制备与成型加工技术和应用技术、解决现有镁合金强度低、耐热性差、成型性差的技术难点,实现相关装备关键部件的材料替代和减重目标。   数年来,吴国华及其课题组在国家航天重大专项、航空重大专项、973计划、总装预研与军品配套课题等项目支持下,利用我国镁与稀土优势资源,发展了具有独立自主知识产权的高性能航天航空镁合金材料、制备与成型加工技术和应用技术,攻克了现有镁合金强度低、耐热性差、成型性差的技术难题,取得了一系列创造性成果。   吴国华已主持国家973计划课题、国家863计划、国家自然科学基金、国家航天重大专项、国家航空重大专项、国家科技支撑计划、国家博士点基金、总装预研、国防科工局军品配套、上海航天基金等科研项目30余项。科研成果在多个国家重大航天与航空专项中获得应用,获国家及省部级科技奖励7项,在国内外重要刊物上发表学术论文180余篇,作为第一发明人已授权国家发明专利20余项。他还兼任“Journal of Magnesium and Alloys”杂志 、“Transactions of Nonferrous Metals Society of China”杂志、“China Foundry”杂志、“中国有色金属学报”杂志、“铸造”杂志、“特种铸造与有色合金”杂志、“铸造设备与工艺”杂志编委。   镁合金研究任重道远   镁合金作为最具发展前景的金属材料之一,已经受到了发达国家的高度重视。随着镁合金研究的深入及材料性能的提高,高性能镁合金在航空航天、国防军工、轨道交通、汽车等领域的应用会越来越多。

吴国华教授访问美国通用汽车技术中心
  镁锂合金是目前密度最小的金属结构材料,被称为超轻合金,并具有优良的减震性能与低温韧性,在航空航天、国防军工及民用领域等有着广阔的应用前景,能够更好地满足航空航天以及国防工业进一步轻量化的需求。当今发达国家十分重视镁锂合金的开发与应用,在20世纪初便开始了该合金的研究与开发,在基础理论和应用开发方面都取得了很大成就,美国和前苏联已有镁锂系合金牌号,并在火箭、卫星、宇宙飞船、军用运输车、医疗器械及电子产品等方面获得了应用。而国内在这方面的研究则较为落后。   至今镁锂合金研究与小规模应用主要集中于变形合金方面,但变形镁锂合金加工周期长、工序多、工艺成本高、经济性差,且难以成形外形复杂、尺寸厚薄不均的部件,这大大限制了镁锂合金的应用范围。   吴国华建议,我国应充分发挥镁与稀土资源优势,加大国家政策支持力度,立足于产学研用相结合,组建镁合金应用及产业化技术创新战略联盟。以航空航天、国防军工和汽车产品研制为牵引,以开展镁-稀土(尤其是重稀土)系和镁锂系新型合金的强化、耐热机制研究与成分设计为核心,集中力量,聚焦高性能镁稀土材料及控形控性技术开发与应用,搞好顶层设计,明确工作目标,鼓励学科交叉,组织骨干队伍,加强原始创新,提倡自主设计,促进自主应用,研制出新型高性能高强耐热稀土镁合金和超轻铸造镁锂合金,形成具有中国资源特色的高性能镁合金材料标准体系。在此基础上,围绕新型合金的成型关键环节(纯净化、细晶化与组织调控、精密成型)进行一系列技术创新,使镁合金成为中国轻量化材料的王牌,为我国航天航空、国防、交通等领域的快速发展提供强有力的材料技术支撑,继而把中国镁稀土材料推向世界,将我国镁与稀土资源优势转化为经济优势,促进我国镁及稀土产业的发展。   自主创新,硕果累累   近几年,上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心在中国工程院院士丁文江的领导下,在高性能镁合金材料开发及应用方面取得了一系列重大科研成果。吴国华及其课题组通过努力阐明了稀土镁合金强韧化理论与耐热机制,开发了国际领先水平的高强耐热新型镁稀土合金材料,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,揭示了镁熔体中稀土元素动态损耗机制,发明了稀土镁合金复合净化系统,解决了镁稀土合金纯净化及稀土损耗的世界性难题。   吴国华教授及其团队围绕国家科技发展战略目标,重点针对镁合金材料及其加工工艺的发展前沿,开展基础研究和应用技术创新,积极参与承担和组织国家重大科研项目和核心技术的攻关。针对现有镁合金材料强度低、耐热性差、成型工艺与装备落后等关键问题,吴国华教授采用系列成套原创性工艺与技术,攻克了镁合金熔体纯净度低、易氧化燃烧、铸件组织不致密、内部缩孔缩松及热裂等难题,突破了铸件表面质量差、尺寸精度低及热处理变形等应用瓶颈,首次实现了大型复杂薄壁高强耐热镁合金部件树脂砂型低压铸造,开发了多种航天航空关键重要部件,保证了国家重点型号的顺利实施,满足了国家重大战略需求。为国防工业的发展做出了重要贡献,产生了显著的社会效益。这些应用均属国际首创。   稀土元素被称为“工业味精”,是我国的富有资源,在镁锂合金中添加稀土元素,能够形成具有较高热稳定性的金属间化合物,改善合金的力学性能。同时稀土元素的加入,还能在镁锂合金中起到晶粒细化的作用,这也有利于提高镁锂合金的综合力学性能。因此,基于我国资源优势,研究开发新型高性能镁锂-稀土合金,是提高镁锂合金强度的可行途径。当前,铸造镁锂合金研究极少,尚缺乏铸造镁锂合金牌号,铸造镁锂合金研究和开发已成为镁锂合金领域的重要发展方向,有望为促进镁锂合金在航天领域的广泛应用做出积极的贡献。   吴国华教授及其团队在上海航天基金的资助下,基于航天领域对超轻高性能铸造镁锂合金的迫切需求,以我国富有的Nd、Y、Gd稀土元素进行微合金化的技术路线,探索了稀土元素在铸造镁锂合金中的存在形式与强化机理,选择兼具较好的强度、塑性,同时有着良好减重效果的Mg-8Li合金作为基础合金,实现了铸造镁锂合金成分设计理论与方法的新突破,研制成功了原创性的铸造镁锂合金Mg-8Li-x(3Zn-Gd)合金,基于系列固溶与时效热处理研究,获得了最佳热处理工艺,大幅度提高了铸造镁锂合金的力学性能。此外,课题组采用开发的新型高延性耐热Mg-Y-RE镁合金结合树脂砂型低压铸造技术,开发了国家航空重大专项某新型直升机传动系统机匣,该项目属国家重大高新工程,已交付产品60余套。   吴国华课题组还提出了电流与锆联用复合细化镁合金凝固组织的方法,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;攻克了镁合金铸造充型过程中易氧化燃烧的难题,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。该课题组首次实现了大型复杂高强耐热镁合金部件制造,研究成果已在航天、航空等多个国家重大专项中获得应用,具有极大的社会效益,为国防工业的发展做出了贡献。科研成果“高强耐热镁合金材料及其在航天航空领域应用技术开发”在2014年被授予上海市技术发明一等奖。 基于上述的科研工作,吴国华课题组申请与授权了国家发明专利30余项,发表了高水平学术论文80余篇。相信随着研究的进一步深入,在吴国华教授的带领下,假以时日,课题组会取得更加辉煌的成就,使我国在材料轻质化领域科学研究逐渐处于世界领先的地位。   撰稿人:刘永金
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