项目名称：高强耐热镁合金材料及其在航天航空领域应用技术开发
完成人：吴国华 丁文江等
完成单位：上海交通大学
机遇从来只给有准备的人们
2011年4月的一天，中国航天一院某国家重大专项的总指挥和总设计师来上海交通大学座谈。作为座谈的一部分，轻合金精密成型国家工程研究中心的吴国华教授按照校方安排做了关于镁合金研究进展的简短汇报。由于座谈会设定的主题并非镁合金，所以吴国华的汇报只有5分钟。然而出乎校方意料的是，在会后，两位客人对上海交大开发的高强耐热镁合金材料表现出了浓厚的兴趣，他们试探着寻问是否可以用该镁合金材料来制作某航天重大专项型号的大型复杂部件。这个部件原本设计用铝合金材料制作。
现场，航天方没有明确说用也没用明确说不用，只是反复和吴国华沟通。从交大离开后，他们开始马不停蹄地调研，在接下来大约5个月的时间里，他们陆续调研了国内有影响的一系列镁合金科研机构及生产单位，寻求可行性上的建议。然而各方的回应都不乐观。航天方要求的镁合金需高强度而且耐热，技术指标比所有国内外现行手册上的镁合金标准牌号高出近一倍。几乎所有单位都认为无论从镁合金材料性能要求角度，还是从材料成型的角度，研制航天方需求的高强耐热大型复杂镁合金部件均没有可行性。
吴国华却坚持认为可行。
航天方的跃跃欲试并非只是看到新研究成果时的一时兴奋。我国国家最高科学技术奖获得者师昌绪院士曾经说过，在材料领域中，还没有任何材料象镁那样，潜力与现实有如此大的颠倒。
潜力，是因为镁合金是目前实际使用中最轻的金属结构材料，纯镁的密度只有1.74g/cm3，而镁合金的密度通常也就1.8 g/cm3左右，约为铝的三分之二，钢铁的四分之一。在常用金属结构材料中，镁合金的比强度排第二位，仅次于钛合金，而比刚度则排第一位。不仅于此，镁合金还具有较高的导电导热性能及机加工性能，是公认的二十一世纪绿色工程材料。这些属性，使得人们早就看到了镁的应用前景，早在第一次世界大战期间，德国就将其用于研制武器装备，“二战”及战后，大部分发达国家也开始发展镁的应用，尤其在航空航天领域。上世纪50、60年代，镁的应用可以说已经风生水起。
而反差在于，在中国，直至1980年代中期，上海交通大学的年轻研究人员丁文江才在一次偶然的机缘下，从零开始研究镁和镁合金的属性以及应用。“当时国内没有人研究镁，而人家德国人早已经用在汽车制造上了。”已由于对镁的开拓性研究入选中国工程院院士的丁文江院士如是说。（“丁文江的镁世界”，《浦江纵横》2014第6期）
航天方当然知道上海交大在镁合金方面的开拓与积累。事实上，交大镁研究团队曾经完成过多项重要的镁合金科研项目。2002年起，轻合金精密成型国家工程研究中心即开展了有关高强耐热镁合金材料的基础研究，2005年到2009年，他们承担了国家安全973项目计划项目，之后又承担了国家863重点计划项目，等等。凭藉这些重要项目，交大镁研究团队取得了一系列镁合金基础研究成果，并在实验室里做出了新型镁合金试样产品。
而且交大的轻合金精密成型国家工程研究中心也是国内实力最强的镁合金研究基地之一。100余人的研发团队，加上100多名工人和实验人员的实验基地，最近几年不断购置的装备，这里已经建设成为了我国目前唯一从基础研究到应用产品开发全链条服务的镁合金基地。
如果有满足要求的成熟镁合金产品与铝合金产品供选择，航天方毫无疑问会选择镁合金产品。然而问题在于，交大开发的新型高强耐热镁合金材料，彼时还处于“三无”产品阶段：没有国家标准，没有应用先例，更没有在军工型号产品上应用过。在对失败容忍率极低的航天航空领域，尝试使用一种新材料，是不管谁都必须慎重考虑的巨大冒险。
无论吴国华如何强调他们已有的研究基础，所有的设计师都不愿意签字。用还是不用的讨论一度陷入僵局。关键时刻，一位曾经主持过多项重大专项因此在航天领域享有极高声誉的权威总指挥决定签字。他的决定，给设计师们减轻了压力，设计师们签字后，经过多次严格的质量体系认证，该新型镁合金材料终于列入了该航天领域的供应商目录，成为了名正言顺的需求产品。
尘埃落定，总算可以上路了。
吴国华教授(左四)为航天系统领导介绍研制情况
挑战新的70%的难题
然而，“大型复杂薄壁高强耐热镁合金部件研制开始后，才发现难度远超出我们的想象。”吴国华说。“虽然我们曾经做出过该镁合金的试样，但了解成型过程的人都知道，做小试样与做大型复杂部件是有天壤之别的！”
由于结构原因，航天方需求的大型复杂薄壁部件只能通过铸造方法研制。铸造是通过熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状、尺寸、成分、组织和性能铸件的成形方法。然而这个过程对镁来说却是极难实现的。
镁的一个特点是燃点低，活性强，非常容易燃烧。在其高温熔融状态下，如果不采取一定措施，镁很容易就烧起来。在镁合金材料制备过程中发生燃烧、爆炸并不少见。
再者，镁极易氧化，一旦氧化就会产生夹杂物，麻烦在于，镁很轻，其夹杂物也很轻，两者密度差别不多，夹杂物通常悬浮于镁熔体中，很难分离。而钢铁产生氧化夹杂物的话，由于其夹杂物比钢铁的密度低得多，夹杂物易于上浮，方便通过扒渣而去除。如果镁合金中的夹杂物不能有效去除，将会大幅度降低材料的力学性能与耐腐蚀性能。尤其，吴国华团队使用的是镁与重稀土元素钆（Gd）、钇(Y)合金化而成的高强耐热镁合金材料，稀士元素的活性也很强，也易于氧化烧损，如此该镁合金材料的熔炼净化就更难了。
这还只是该新型高性能镁合金成为航天方合格可用材料所遇到的最基本问题。将材料铸造成大型复杂部件的工艺是更大的难关。在实验室做两三公斤的样品，只需要一个小炉子，而大部件300多公斤，需要的熔炼炉仅从尺寸上就要大很多。材料制备过程控制更是复杂的多。“按材料研究工作量比例来说，材料开发只占到工作量的20-30%，把新材料推广到实际应用阶段而进行的技术开发，其工作量至少要占70%。”吴国华如是认为。
这70%以上的工作量，要求他的团队在项目规定的时间内必须补上。
航天项目有严格的时间节点。在吴国华团队面对一系列工程难题一筹莫展之际，北京的航天方更是着急，一段时间里，航天一院、航天科技集团与总装备部等与此项目有关的领导及设计师们，一批批带着焦虑的心情接踵而至。“我们前期是一个月汇报一次，后来改成一个星期汇报一次，再到后来，每天汇报一次。白天研制，晚上汇报进展情况，”吴国华说。但这样并没有让航天方放心，“有时候还派人来蹲点，跟着你，你去那里他去那里。了解研制过程中每一个环节遇到什么困难，进展怎么样。”
吴国华教授（居中）在镁合金部件研究过程中已带出了5名博士和6名硕士，图为吴教授与两名新鲜博士合影
“有时航天方的领导急得直接拍桌子的，”吴国华说。航天项目不同于一般的民用项目，自上而下的层层压力，不容许任何环节有影响全局的拖沓延误。
“有一次会上，我说我豁出去了，少活十年，也要给你们研制出来。”吴国华仍然记得自己这句破釜沉舟的话。不过现在再说出口已经淡然很多，似乎全然忘记了自己曾经累得病倒数次，每次都躺在床上两三天里几乎不能动弹。作为项目负责人，冲在第一线是肯定的。吴国华被轻合金精密成型国家工程研究中心的师生们称为拼命三郎。“我没有星期六星期天，也没什么节假日，而且一般晚上11、12点才离开办公室。我长年累月都这样的。”他如是说。
做出承诺不单单是遵守签订合同所必需的契约精神，更重要的，是吴国华从来都是一个对“玩真的”感兴趣的人。“我很想知道，从理论到实实在在的产品，到底怎样才能实现。”在我追问他这种气质最早来源的时候，他回想起了他的父亲。
吴国华的父亲是一位中学物理老师，在小的时候，他看到父亲曾经制作过灭虫灯，一种放在稻田里，晚上飞蛾蚊虫看到亮光便飞扑过去然后被电死的装置。少年的吴国华也继承了父亲的基因，他曾经为修理好一台收音机而高兴许久，后来学工科，吴国华更加喜欢上做成一种产品的成就感。硕士期间他就曾经开发过一种成效显著的铸造涂料。“这种实在的东西给我的心理满足感很强烈。”吴国华说。
然而，就在他迄今难度最高、挑战最大的航天产品的研制过程中，他产品思维的启蒙老师，他的父亲病危，在医院抢救过程中，吴国华竟没有抽出时间赶到父亲病榻前。“医生说再晚两个小时就不行了，”吴国华谈及此事仍有愧疚。在父亲经抢救度过病危的半年后，吴国华回家探望了三天。“当时就是想把这个部件研制成功，愿望非常强烈。”
吴国华的这种强烈意愿，既来自他与生俱来的做实在产品的基因，拼命的个性，也来自于他多年研究积累的自信。
从2002年起，他已经开始带领学生做关于镁合金材料的理论基础与应用基础研究。在2011年接手这一项目之前，他在镁合金组织性能、熔体复合处理、液态精密成型、热处理及腐蚀行为等方面开展了大量研究工作，研究课题分别与真实产品研制过程中的各个环节相关，并且在研究过程中已带出了5名博士和6名硕士。这些博士论文和硕士论文课题，“没有一个是我拍脑袋拍出来的，都与实际工程中遇到的关键难题有关。”吴国华说，“没有这些铺垫，我也不敢接这么重大的项目。”
而他自己也主持或参与了国家973计划、863计划、自然基金、攻关计划、军工配套、上海市优秀学科带头人计划、航天基金等30余项镁合金相关的科研项目。虽然都不是直接上天的高强耐热镁合金型号产品，但都属于镁合金的基础和应用基础研究范畴。难能可贵的是，在他所有主持的项目中，验收成绩几乎都是优秀，“我做科研十分认真，没有做砸过一个项目。”他说。这既是对以往成绩的自豪，也是其理论基础扎实的证明。
然而，产品研制的成功，除了兴趣、坚持与基础，还需要全新的突破。
跨越鸿沟
为了充分挖掘镁合金材料性能的潜力，该镁合金部件铸造成型后，还需要进行热处理。因零件尺寸太大，学校的热处理设备满足不了要求。在上海只有上海航天院第800研究所具有满足要求的大型热处理炉。他们得到了800所的鼎力支持。
然而原先在实验室基于小试样开发的热处理工艺却存在巨大的挑战。在实验室因为制备的是小试样，而且形状简单，热处理过程中产生的应力小，不易出现试样开裂问题，所以一般采用的是固溶水淬热处理工艺，以便获得最佳的材料力学性能。
吴国华在试验现场
但由于此铸件属于大型复杂薄壁框架类结构，经过前期分析，热处理过程中应力一定很大，极易出现热处理开裂问题。若采用已有的热处理工艺方案，便是将镁合金部件从500℃以上的固溶处理温度下直接淬入冷水中，但这样的话，零件激冷作用太强，极易在应力作用下开裂。为降低开裂风险，吴国华团队想到降低固溶处理淬火时的激冷作用，让温差不那么大，让水达到极限的沸腾温度，也就是100度，以减少水淬时开裂的风险。为了满足这一新的工艺要求，800所关掉了所有其他车间的水蒸气供应，将锅炉房的水蒸气全部都用于给吴国华团队所需的大型热处理水槽中的水进行加热，一直将水槽中的淬火用水加热到100℃沸腾状态。然而，即便如此，镁合金部件经水淬后依然开裂的一塌糊涂。这条路行不通……再后来，吴国华改用固溶处理空冷热处理方案，即将镁合金从固溶热处理炉中取出后直接在空气中冷却，部件开裂情况有所好转，但力学性能依然达不到要求。
工艺的复杂，不仅仅在于技术的难以突破，还在于团队的协调难度。“光试制工序就几十道，必须要一系列人马的参与，”吴国华说。他所带的博士硕士团队，以及专职研究人员及工程技术人员，因此也都必须各司其职负责相应的环节。
作为工程研制必不可少的一批成员，车间工人也被吴国华特别提及。他认为充分发挥工人的积极性与创造性非常重要，一些工人师傅在工厂里有几十年的经验，诸如解决铸件开裂、尺寸不合格问题，有些就是由工人提出了创造性的解决方案。
当我问及带领这么大一个团队是不是需要花费很多管理组织的时间时，他说，不多。我本来就在一线现场，一旦有问题，很快就解决了。
一系列的攻关之后……吴国华团队开发出了一种热处理方案，通过一系列热处理优化试验，攻克了热处理开裂难题，并达到了航天方的性能要求。这一在本文必须一带而过的细节，包括了无数的心血，从材料制备、液态精密成型、再到热处理的20余项专利。
吴国华说，可以自豪地说，我们研制出了真正的“具有中国特色的材料”。因为他们研制的稀土镁合金部件。最主要的原材料是镁和稀土，都是中国特色材料。中国的稀土产量占国际上90%以上。而镁，中国的储量产量出口量都是世界第一。更为重要的是，在国际上目前所有公开的报道中，还没有看到任何地方研制成功吴国华团队所研制的这一大型复杂薄壁高强耐热镁合金航天部件。“中国特色”因此也包含了“中国独有技术”的含义。
不过，“要早知道研制难度这么大，我恐怕就不敢承接这个项目了。”吴国华心有余悸地说。但更多的还是庆幸自己曾经那么的坚持。“有段时间也有很多人劝我放弃，我还是选择了坚持，主要还是希望大力推动新型镁合金材料的发展与应用，尤其是高强耐热这种高性能镁合金材料在航天航空领域的应用。”“不管怎么说，也要对得起自己20多年在科研战线上的奋斗。要说我在国内外重要学术期刊上也发表了一百几十篇文章，但几乎都是基础研究与应用基础研究方面的，高端型号产品应用研究较少，我总觉得是个欠缺。”这是吴国华对自己之所以坚持的解释。
这项国家重大专项最终圆满成功。他为之耗费心血研制的部件，在试验成功后已经被国家航天部门收藏。有一次应邀参观，“看到自己研发的产品的那一刻，心情实在太激动了，有种强烈的精神满足感。”他说。
在国家重大专项成功之后，今年3月的一天，负责该重大专项的总指挥一行人，从北京赶到上海虹桥机场，然后赶到交大材料学院，正式而郑重地宣读了国家航天部门的感谢信，并对吴国华团队表达了最诚挚的谢意，旋即赶到虹桥机场赶回北京。一趟专门的致谢，诚意至此，荣幸之至！
记者手记：
在采访吴国华教授之前，记者在别的选题下有机会采访到中国镁合金领域开拓者之一的丁文江院士。据丁院士介绍，在其初出茅庐的1980年代中期，中国在镁合金领域的研究几乎是空白的。而经过30年的努力，以上海交大轻合金精密成型工程中心为代表的中国镁合金研究力量已经走到了世界的前列。在感慨开拓工作之艰辛的同时，笔者也迫切想知道，30年后的今天，我们的镁合金基础研究与应用研究究竟如何。恰好，在上海市科委今年评选出的2013年度上海市科学技术奖获奖名单中，以轻合金中心骨干吴国华教授为第一负责人的“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，赫然出现在技术发明奖排名第一的位置。这显然是镁合金领域最为前沿的成果。于是经丁院士引见，就有了本次对吴国华教授的采访。
对吴国华教授的访谈持续了5个多小时。他带我重新回顾了从接到项目到完成项目，几乎片刻不停的攻关历程。一路上的风景，在吴教授逻辑清晰的说明和不善修辞的表达中，被浓缩为“玩真的”三个字。这一通常被指代扎实工作态度的常用语，在他的谈话中更指代另一层含义，从基础研究到产品应用的跨越。在技术创新的理论界，这一跨越又被称之为“技术创新”。
而这正是这个时代经济领域里最关键的命题之一。经济转型升级的压力促使从政府到公众，对基础研究向应用产品的转化都格外关注。但正如吴教授所言，这两者工作量是20%和70%的对比。我们知道也许不能简单的厚此薄彼。但是在当下，成果转化，可能是最迫切也是最实际的需求。“论事易，作事难；作事易，成事难。”或许只有真正经历过的人，才会有最真切的感悟。也正因此，成果转化、技术创新中的劈荆斩刺鲜少为外人所知。而吴国华团队的案例，则为我们提供了一例极佳的典范与诠释。
再联想丁文江院士那一批科学家自1980年代从几近空白开始的筚路蓝缕。这30年的历程，不也恰是中国科技一路奋起直追的一个缩影吗？
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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，是由国家发改委批准组建、上海交通大学承建的国家级工程研究中心，现任中心主任为丁文江教授。经过十年多的发展，中心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，教研室早在50年代就已经开始从事有色合金的相关研究，从50年代到80年代初，教研室的研究重点是铝合金材料及其成型技术，这一时期代表性的研究成果之一即为后来在国防产品上广泛应用的“交大铝”。到了80年初期，教研室开始从事镁合金相关的研究，并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，于2000年初在国家发改委和上海交通大学的共同支持下，成立了轻合金精密成型国家工程研究中心。从50年代黄良余、余滋璋、翟春泉等老一辈研究人员、到丁文江教授、再在到现在30岁到40岁的青年研究学者，轻合金研究团队已经历了三代人的沉淀。
――摘自轻合金中心主页