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新型镁稀土合金大型复杂构件扬威国防建设
发表时间:2020-02-25 09:59 浏览次数:1837
    新一代直升机是我国当前航空重大装备之一,代表着我国重大装备提升的突出成果。而新一代直升机的研制成功凝聚着我国在新材料领域的最新科研成果。
   一代材料,一代装备。以材料为先,实现重大装备的提升,是新型重大装备研发的战略转变。“高原之王”新一代直升机采用新一代高性能镁稀土合金材料,突破性的实现了关键部件的轻量化,为新型镁合金材料首次在重大装备项目上实现批量应用跨出了关键一步,上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心的吴国华教授科研团队,在中心主任丁文江院士的领导下,为项目的顺利实施做出了重大贡献。吴国华教授团队历经十余载,突破了一系列成形技术瓶颈,研制成功了关键复杂承力部件,填补了新一代直升机用高强耐热镁合金材料空白,减重25%以上,并实现了批量稳定制造,满足了国家战略需求,并受到相关部门的高度评价。
   记者为此来到上海交大轻合金精密成型国家工程研究中心采访了吴国华教授。
   镁熔体精细化处理
   为镁稀土合金应用奠定坚实基础
   初见吴国华是在他的一间堆满各类资料的办公室里。与记者聊起他的新材料科研工作时,眼光里充满了激情和睿智。2000年8月,吴国华毕业于华中科技大学,获得材料加工专业博士学位,之后便加入到由丁文江院士任主任的上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心从事博士后研究,博士后的合作导师便是丁文江院士,博士后出站留上海交大任教,在丁文江院士的领导下,开始了漫长的镁合金材料研究。20年来,吴国华在新型高性能镁稀土合金的研发方面上取得了骄人的成绩。
   说起镁合金,吴国华充满了深情。“20年来,我从没离开过镁合金研究,虽然科研过程中遇到了无数的困难与挫折,但一直在坚持着。”
        为什么会选择镁,选择镁稀土合金?记者询问到。
   “中国的镁有三项世界第一:镁资源储量第一、镁产量第一、镁出口量第一。这三项优势,使我国镁产业有可能成为最具领先发展的行业之一。”吴国华有些兴奋地对记者说。
   的确如此,镁产业发展在我国具有重大优势,我国原镁产量连续十几年世界第一,2019年原镁产量约90万吨,我国每年镁产量应用逐年提升,在石油、汽车、医疗、航空航天等领域均有较大的发展。
   吴国华意识到了镁在未来应用的前景广阔,全身心投入到新型镁合金材料的开发与应用研究。2002年,当时新型镁稀土合金的研究还处于起步阶段,镁稀土合金牌号稀少,镁熔体质量差,合金性能不稳定,严重制约着其实际工程应用。吴国华发现了问题的症结所在,认为镁熔体纯净化与组织微细化已成为制约镁合金进一步推广应用的关键瓶颈之一。于是,自2002年起,他开始了高品质镁稀土合金熔体的制备技术研究,潜心研究镁合金熔体纯净化与细化处理关键技术。针对镁合金易氧化燃烧、夹杂难以去除、稀土元素成分因损耗而难以控制的难点,发明了集熔体保护、净化、细化于一体的镁稀土合金复合处理新方法与装备,大幅度提升了镁熔体纯净度,并有效降低了稀土烧损率,攻克了深度纯净化及稀土损耗有效控制的关键难题。在细晶化与凝固组织调控方面,发明了锆复合细化剂与细化方法,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,实现铸态组织微细化和均质化。
   “前后用了七八年,镁合金熔体实现了深度纯净化,组织实现了微细化,这是一个非常艰辛的科研历程,但为新型镁稀土合金应用迈出了极其重要的一步。”吴国华对记者说。2009年,科研成果“镁稀土类合金精炼熔剂及其生产方法”获得教育部优秀专利成果奖。
   十年磨砺
   高强耐热镁稀土合金立新功
   近年来,我国航空航天领域对材料轻量化提出了迫切需求,就航空航天器而言,材料轻量化带来的经济效益和性能改善十分显著。航空航天装备减重已由“斤斤计较”转变为“克克计较”。而镁合金具有密度小,比强度、比刚度高,阻尼减震性、切削加工性、导热性好,电磁屏蔽能力强等优点。且由于镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料,可大幅提升武器装备战技指标,故受到高度重视。
   自2010年以来,我国航空航天与国防工业制定了明确的轻量化目标,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任务。而镁稀土合金恰逢其时,因其具有一系列独特的优越性能,受到航空航天国防工业领域的高度关注,上海交大轻合金精密成型国家工程研究中心发明的高强耐热镁稀土合金进入了国防列装视野。
   高品质镁合金熔体制备技术的研究与开发成功,使得吴国华对新一代高性能镁稀土合金材料的开发与应用充满了信心。“若把我国优势的镁资源与优势的稀土资源相结合,会激起什么样的火花?”吴国华说。基于上述的思考,吴国华教授及其课题组针对传统铸造镁合金强度低、耐热性差和延伸率较低的难题,基于砂型铸造慢冷凝固条件,以我国富有的Gd、Y、RE等稀土元素(尤其是重稀土元素)进行合金化的技术路线,深入研究了稀土元素的合金化技术和各种强化相、耐热相的形成规律、微观结构与强化、耐热机制。通过多元合金化与微合金化途径,综合运用固溶强化、细晶强化、多级时效强化等手段,开发了综合性能优异的Mg-Gd-Y系与Mg-Y-RE系二种铸造耐热稀土镁合金,与传统镁合金相比,除室温强度会大幅提升之外,高温强度的提升更为明显。
   Mg-Gd-Y系镁合金是一种新型高性能的重稀土镁合金,在航天航空、军事工业和汽车等领域有着广阔的应用前景。吴国华教授针对大型复杂航天航空件树脂砂型铸造背景,揭示了合金元素成分、铸型冷却速率、浇注温度、铸型工艺参数等对砂型铸造Mg-Gd-Y合金的凝固行为、凝固组织与力学性能之间的影响规律。探明了砂型铸造慢冷条件下高强耐热稀土镁合金的晶粒细化机制。由于该合金应用于航空航天大型复杂薄壁铸件时,其抗热裂性与流动性差的问题十分突出,严重制约了该合金的实际推广应用,而有关该合金的热裂和流动性的研究极少,基于上述状况,吴国华教授系统深入研究了Mg-Gd-Y合金的热裂和流动性行为。采用自行开发的合金热裂测试及数据采集系统,首次研究了Mg-Gd-Y合金的热裂倾向性与凝固行为的关系。阐明了熔体净化处理、浇注温度以及合金元素成分对该合金热裂倾向性的影响,揭示了合金的热裂机理,并提出了减少铸件热裂的方法与技术措施。
   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,利用开发的新型高强耐热镁稀土合金材料,并采用系列成套原创性工艺与技术,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,攻克了镁合金构件的精确控形与控性关键难题,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,减重达25%以上,保证了国家重点型号的顺利实施,大幅度提升了新一代装备的战技指标。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。
   吴国华对记者说:“我们开展镁稀土合金材料研究比较早,从材料开发-熔体净化细化复合处理-铸造成型-热处理工艺开发一路走来,取得了一系列创造性成果。我们研制成功了抗拉强度大于400兆帕的高强耐热铸造镁合金,已用于二十余种型号产品的研制与批产,这是国内乃至世界镁合金领域的重大突破”。数年来,吴国华课题组授权了国家发明专利55项,发表了高水平学术论文100余篇。获得了5项国家及省部级科技奖励。
   一代材料 一代装备
   新型镁合金将由中国走向世界
   大型复杂新型镁稀土合金构件在国防军工的成功使用,为镁合金在高端领域的推广应用走出了一条中国自主创新之路。吴国华感慨地说:“一代材料,一代装备,新材料应用的引领作用极其重要,镁合金的高端应用近年来受到越来越广泛的重视,不少领域都在有意识的主动接触了解并尝试镁合金,这是个很好的开端。当前,镁产业需要通过重大应用场合的引领,完成最后一跳,才能实现进一步大规模的推广应用”。
   谈起这些年的科研之路,吴国华教授感触颇深,“这近20年的研究过程太痛苦。”
        “在2012年前后,我们开展了探月工程项目基于月球环境条件下的镁合金组织与性能研究,在研究过程中,发现镁稀土合金与铝合金不同,镁稀土合金在月球近真空状态及昼夜高低温大温差变化环境下,组织与性能几乎没什么影响。镁合金材料在嫦娥月球车应用中表现良好,减重效果明显。”吴国华为记者介绍了镁合金的性能优势。
   他们团队在近十年研制与生产了一系列国防产品,包括镁稀土合金发动机机匣、飞机传动系统机匣、新型导弹舱体、空天飞行器关键结构件等等。
   2014年,吴国华团队首次采用高强耐热新型镁稀土合金精密砂型低压铸造成型工艺,完成了我国某高超声速飞行器镁稀土重要部件的研制与生产任务,首次采用新一代镁稀土合金替代钛合金,成功铸造了大型复杂异型薄壁形状的主承力部件,多次飞行试验均获巨大成功,使我国在航空航天领域高强耐热镁稀土合金的应用成为首创,为我国国防事业做出了重大贡献。谈及此,吴国华满怀激情,“我们也没想到,新型镁稀土合金这么强,能大幅提升飞行器飞行指标。这种新型镁稀土合金材料具有高温力学性能超强的特点,与传统金属材料随着温度升高抗拉强度下降情形相反,新型镁稀土合金材料在300度下,随着温度升高,合金的抗拉强度反而是上升的。该飞行器采用镁稀土合金部件后,相对原设计,整体减重超过100公斤,这个减重效果对于克克计较的航天领域而言是巨大的。”科研成果于2017年获得了国防技术发明一等奖,受到用户的高度评价。
   而吴国华团队研制成功这种新型高强耐热镁稀土合金关键重要部件的背后,却是充满了艰难探索。吴国华对记者说:“历经4年的研发,多少个充满挑战的日日夜夜,研发难度很大,工作压力也很大,自己累病了几次,真的非常不容易,确实太难了”。他连说了几个太难了,成功的过程是非常痛苦的。
   接受这个项目的研制任务,对于吴国华来说是一个重要的节点。基于前些年扎实的实验室基础研究,吴国华才有底气接受这个项目挑战,2011年始,吴国华在某研究所及上海交大的支持和配合下,开始了大型复杂高强耐热镁稀土合金铸件从无到有的研发,因没有成功的先例可借鉴,遇到的困难可想而知。最初连完整的铸件外形都难以获得,更谈不上满足苛刻的内在质量与性能指标要求。通过大量的试验与技术攻关,攻克了铸件热裂、变形、成分偏析、缩孔缩松、组织与性能不均匀等系列难题,历时4年,终于按照用户的时间节点,研制成功了满足应用需求的合格产品。“整个过程太痛苦,用户方代表天天催进度,多次被逼得想打退堂鼓,但在一种强烈使命感的驱动下,咬牙坚持着,团队没日没夜的进行技术攻关,终获成功。”
        大型复杂新型高强耐热镁稀土合金构件成功应用于我国航天重大专项中,获得了用户的高度评价。这个高强耐热镁稀土合金应用成功的范例,极大推动了新型镁合金材料在航天、航空及国防装备中的应用。
   面对未来,吴国华教授表示,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,组建航空航天用镁合金应用及产业化技术创新战略联盟,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,组织骨干队伍,加强原始创新,提倡自主设计,促进自主应用,形成中国特色航空航天用镁合金材料标准体系,使镁合金成为中国轻量化材料的王牌,为我国航空航天工业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。
         来源:中国有色金属        编辑: 黄左
 
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