镁资讯:上海交通大学吴国华教授团队十年磨砺,高强耐热镁稀土合金再立新功 ...

来自: 轻合金国家工程研究中心应用基地 收藏 邀请

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,突破性地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,为项目的顺利实施作出了重大贡献。


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。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。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。

交大轻合金中心的吴国华教授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。

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。

吴国华教授


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,团队没日没夜地进行技术攻关,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。

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本文作者2022-7-4 14:09
镁途
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