开创镁合金研究与应用新局面——记上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心

2016-01-20

我国是镁资源最丰富的国家，可利用的镁资源占世界贮量的70%，是世界上原镁生产和出口量最大的国家。随着镁合金研究的深入及材料性能的提高，镁合金在兵器中的应用会越来越多。开展武器用镁合金材料及镁合金零件的研发，争取形成具有自主知识产权的镁合金在武器上应用的集成技术，既可加快和推动国防工业科技技术进步，使我国武器研制和生产达到国外同等先进技术水平，同时也为镁合金在民品上的应用提供先进制造技术，拓宽镁合金的应用领域，实现军民品双向互动，带动镁合金产业发展，将我国的镁资源优势转化为镁技术优势和产业优势都具有重大战略意义。为此，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心做了大量科研工作，并取得了卓有成效的应用。

中心简介

上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心(Light Alloy Net Forming National Engineering Research Center-LAF-NERC)成立于2000年3月。经过十年多的发展，目前已经成为我国重要的镁合金材料研发基地，同时也是世界范围内最大最先进的镁合金研究团队之一。中心主要研究领域包括高性能镁合金材料、镁合金液态成型技术、镁合金固态成型技术、镁合金材料能量场制备技术、镁合金表面处理技术、镁基生物材料、镁基能源材料等七个主要研究领域。中心主要负责人为丁文江院士。2004年4月，由轻合金中心副主任吴国华教授主导完成的“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。

轻合金精密成型国家工程研究中心以“发展镁科技、实现产业化”为研究目标。整个研究团队分为两部分，一部分位于交通大学闵行校区内，专门从事镁合金相关的基础研究及技术原型开发工作，另外一部分位于松江高技术园区内，主要从事镁合金工业应用前的工程化研究工作，在这样一个“产学研”高效结合模式的推动下，近年来，轻合金精密成型国家工程研究中心先后承担了国家自然科学基金、博士点基金、国家“八五”“九五”“十五”“十一五”“十二五”重点科技攻关计划、国家973计划、863计划、航天重大专项、航空重大专项、科技部中小企业创新基金、上海市科技发展基金等国家和省部级科研项目70多项，发表论文600余篇，获得国家科技奖励15项，已成功产业化的成果10项。中心已相继建立了镁合金研究开发基地、产品示范基地和科研成果产业化基地，核心产业技术包括：高强耐热镁合金材料及其制备技术、高效镁合金净化与覆盖熔剂、高品质镁合金铸锭生产技术、镁合金液态精密成型技术、镁合金塑性变形加工技术（挤压、轧制、冲压等）、大型复杂镁合金部件热处理技术和镁合金表面处理技术等。

着手研发中国的镁合金

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。“我们需要轻质高强耐热的镁合金”，吴国华十分确定这一点。他说：“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。”

轻质高强耐热镁合金随着航天航空领域轻量化的迫切需求，已成为先进材料技术领域的竞争热点和重点。但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。通过长期细致的调研，吴国华发现，国外在军用耐热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基于中国的资源情况，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设计优化作为项目的核心，希望能就此研制出一种具有中国特色的高强耐热镁合金材料。而要将开发的新型镁合金材料推向应用，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。

由此，“高强耐热镁合金材料及其在航天航空领域应用技术开发”项目应运而生。项目在国家航天重大专项、航空重大专项、国家973计划、国家863计划等课题支持下，从2002年6月，一直到2011年2月，他们用近9年的时间，在高强耐热镁合金材料及其应用技术开发方面取得了一系列创造性成果。项目系统研究了稀土元素（尤其是重稀土元素）在镁合金中的强化与耐热机制，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。发明了国际领先水平的高强耐热Mg-Gd-Y系新型镁稀土合金JDM2，铸造T6态室温抗拉强度>400MPa、屈服强度>350MPa、延伸率>5%；300℃高温抗拉强度>265MPa、屈服强度>210MPa、延伸率>29%；挤压T5态室温抗拉强度>490MPa、屈服强度>380MPa、延伸率>10%；300℃高温抗拉强度>300MPa、屈服强度>230MPa、延伸率>30%。攻克了镁合金强度低和耐热性差的难题。

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，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，发明了集高强耐热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，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。

在细晶化与凝固组织调控方面，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，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，实现铸态组织微细化和均质化。

发明了镁合金金属型铸造涂料，开发了镁合金砂型铸造用树脂自硬砂及阻燃剂，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，开发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，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。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。

项目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、国防等多个国家重大专项中获得应用，性能指标均超过原设计要求，受到用户的高度评价，具有极大的社会效益。相关研究成果已推广到汽车及其它民用领域，促进了我国优势资源镁及稀土产业的发展。

将镁合金材料发扬光大

镁合金的性质使其在兵器上应用前景量大面广，通过镁合金在兵器上的应用、研究，可有效促进我国兵器的轻量化，提高其机动性，提高战技指标，从而提高我国兵器的技术水平，通过应用还可形成相关产业，其技术可转向民用，从而促进我国镁产业的发展。“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，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1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。

2009年8月，由才鸿年院士任专家组组长、清华大学柳百成院士等组成的专家组对“面向未来xxxx的高性能镁合金基础研究”项目成果验收，认为该项目成果“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” 。针对镁合金应用的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。

国防应用并非轻合金精密成型国家工程研究中心的终点，好的成果应该与大家分享。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。

该中心积极开展国际合作交流，目前已经与美国、德国、日本、韩国、挪威、澳大利亚等外国研究机构及企业建立了长效合作关系，通过人员互访和研究生交流等方式展开了密切合作。中心还积极参与我国镁行业技术发展与革新，与国内镁合金领域的主要企业和研究机构建立了紧密合作关系，建立了多个联合实验室，目前该中心已经成为我国镁合金研究和应用的示范和技术转移中心，为我国镁行业的发展提供技术支撑和人才培养

专家简介

吴国华，男，1964年生，博士，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，韩国机械与材料研究院高级访问学者。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。