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打三公有包赢的方法吗:“镁”从默默无闻到走进千家万户,这位院士居功至伟

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有一位院士,他让“镁”走进千家万户。


20多年前,作为一种轻金属,镁的巨大潜力还不为大多数人所知;如今,我国的镁合金技术和镁合金产业正在迅速发展,潘复生正是这条道路上的领跑者之一。



潘复生在讲解线切割机使用方法


记者来到潘复生办公室时,他刚刚结束一场和国外同行的视频会议。潘复生团队在镁合金领域取得了丰硕成果,国内外许多机构纷纷寻求和他合作的机会。


在20多年的历程中,潘院士做出了怎样的努力?


勤奋刻苦:从中学临时代课教师到工程院院士


潘复生:1962年生,浙江兰溪人,中国工程院院士,广东院士联合会会员,重庆大学材料科学系教授,国际标准化组织(ISO)镁及镁合金技术委员会主席、中国材料研究学会副理事长。他长期从事高塑性镁合金、镁电池、镁固态储氢材料、轻合金先进成形加工技术和深度纯净化方面的研究,牵头组建了国家镁合金材料工程技术研究中心,获得国家技术发明奖和科技进步奖4项,省部级技术发明奖和科技进步奖10余项,发表论文700多篇,授权发明专利150多项,制定国际标准、国家标准和行业标准20余项。


1962年7月,潘复生出生于浙江兰溪的花塘村。“小时候,上学需要走一段很长的小路,路面高低不平,路边还有很多水塘。每到冬天下雪结冰,掉进水塘里是常有的事。”到校时,潘复生经常一身污泥。但不管刮风下雨,他总是坚持每天早上6点半前到校。


童年时的求学路,让潘复生体悟到了两个道理,并且贯穿他的科研生涯:“一是要学会合作。路太滑,我和小伙伴们就得手拉手走路,大家互相扶持,才能避免摔到水塘里。二是要学会坚持,虽然道路崎岖坎坷,但是只有坚持走下去,才能达成目标。”


1978年,潘复生考入合肥工业大学粉末冶金专业。但在进大学前,不到15岁的他已经在当地中学担任临时代课老师,负责教高中物理和化学。


和学生同龄,甚至比学生年龄还小,一开始,潘复生站在讲台上有些担心。再加上参考资料很少,教学条件有限,怎么教呢?


“我之前学的物理化学,侧重于应用知识,基础理论知识掌握较少。”于是,潘复生拜访了不少有经验的老师,还找齐了各个版本的课本,吃透每本书的内容。有时遇到不懂的题目,他就走好几里山路,求教刚毕业的大学生。早上出发,弄明白问题后,时间差不多就到晚上了。这时,只有挂在山顶树梢上的月亮与他为伴,为他照亮回家的路。


因为要代课,潘复生自己高考前只有一周时间复习。最后,他和他的学生一起走进考场……庆幸的是,潘复生不仅完成了教学任务,还顺利考上了大学。


19岁大学毕业、30岁晋升教授、55岁当选中国工程院院士……潘复生的职业生涯看似一帆风顺,但他深刻体会到了勤奋的重要性。“去年3月,我写了一个项目申请书,把初稿交给潘老师后,第二天早上打开电脑,就发现已经收到了潘老师的回复。”团队成员姚文辉说,“当时,潘老师正在外地出差,回复时间是凌晨两点钟。”


攻克难题:研发技术提升镁合金产品质量


在国家镁合金材料工程技术研究中心展览室中,一款款超大型镁合金板材和型材让潘复生颇为自豪:“像这一款大型材,一开始,很多业内人士都不相信,镁合金型材也能做得这么大这么薄。”


潘复生总是不厌其烦地强调创新思维在科研中的作用。常规的镁合金比较软,经过适当的合金化后,固溶元素会使镁合金的强度、硬度有所提高,但也会导致塑性降低、变脆,不利于规模化应用。


潘复生反复思考,金属元素在固溶强化的同时一般会导致塑性降低,但对于镁合金来说,这是不是必然的?


经过不懈努力,潘复生团队发现了特种固溶原子影响基面和非基面滑移的独特作用,结合长程有序相、纯净度和晶粒度等参数的控制,实现了“固溶强化增塑”的目标。他们成功研发了一批高塑性高性能新型镁合金,为镁合金的规模化应用提供了一种可行性方案。


“镁合金加工也有很多难点。”团队成员宋江凤介绍,其他金属合金在加工方面基本采取对称加工的方法。宋江凤形象地解释说:“对称加工可以理解成拿两根擀面杖将金属材料碾平。”但镁合金的晶体结构为密排六方结构,越追求对称加工,反而性能越差。


金属材料的性质没法改变,能不能改变“擀面杖”?顺着这个思路,潘复生团队研发了非对称加工技术,通过改变挤压模具结构等方式,使镁合金产品质量更好。


“大量采用镁合金后,汽车在颠簸路段可以减轻晃动幅度,计算机也会变得更轻薄。”团队成员王敬丰说,镁合金产品散热性能好,能屏蔽电磁辐射,而且减震性能比钢产品高几倍、比铝合金产品高几十倍。“镁在金属结构材料中是比较轻便的一种,在航空领域也有很大的应用空间。”王敬丰说。



引领团队:调动所有人的积极性


“‘形状记忆合金’,是能记忆自己形状的神奇金属”“‘嫦娥钢’,是强与韧可以兼得的合金”……重庆大学虎溪校区图书馆报告厅,潘复生站在屏幕前,一一展示微观世界下的材料图片,带领学生走进材料科学的殿堂。


“科研是非常有魅力的,要让学生在科研中找到乐趣。”为此,潘复生坚持多年为本科生开讲材料科学第一课,鼓励年轻人提升创新能力,投身科研事业。


“潘院士对科研很投入,有一次,为了做热处理实验,他在实验室待了整整228个小时,后来是因为停电才不得不停下工作。”宋江凤说,“每当学生们在科研上出现困惑,我都会向他们讲潘老师的故事。潘老师就是我们身边的榜样,我们都从他身上感受到正能量。”


“搞科研需要团队精神,调动所有人的积极性,这样更容易形成合力。”潘复生说,从产业升级的角度来说,镁作为最有潜力的轻量化材料之一,对提升我国制造业的竞争力有着积极意义。


为了更好地开展镁材料的研究,潘复生从国内外引入了不少人才,并且致力于建立实力一流的镁合金研究机构。潘复生已培养20多名博士后、100多名博士硕士研究生;在学术界,潘复生担任了镁合金国际刊物的主编;在产业界,他担任了国际标准化组织(ISO)镁及镁合金技术委员会主席……这一切努力,都是为了让镁材料走进千家万户,造福国计民生。


20多年来,潘复生和他的团队完成了一批重要的国家级项目和国际合作项目,在高塑性镁合金、镁电池、镁固态储氢材料、轻合金先进成形加工技术和深度纯净化等领域取得一系列创新成果。潘复生不想止步于此,他说:“创新需要横向对比,放眼世界,我们还要继续努力。”

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成就:潘院士是这样汇报的


目前,汽车和3C产品是镁合金消费的主要大户。从统计表可以看出,镁合金在汽车上的用量超过60%,而镁合金的密度仅是铝合金的三分之二,钢铁的四分之一,因此镁合金的零部件轻量化效果十分显著。国际镁协评价认为,镁合金零部件全生命周期节能减排效果显著,镁合金零部件大规模应用,有助于轻量化和节能减排,助推国家“双碳”目标。


第一方面,汇报镁合金结构材料的部分。


新材料开发方面,镁合金和钢铁、铝合金一样,都是基于元素周期表添加一些适量的合金化元素达到目的。根据教科书所讲,首先第一种获得很好的镁合金的方法就是采用固溶强化方法。这种方法首先要形成一种固溶体。第二种方法就是用第二相强化和细化晶粒。我们知道镁合金和钢铁材料和铝合金不太一样,镁合金是一种立方的晶格,基面滑移系非常少,所以塑性相对较低。从图中可以看到,基面滑移启动非常容易,也就是说材料特别是镁合金的强度也会相对较低,很难启动非基面的滑移,而只有温度上升到大概两三百度时,非基面的滑移才能启动,这时候多面的滑移才能得到很好的塑性。


我们第一个想法是固溶强化。我们研究了很多固溶原子,如果加适当的固溶原子,发现它和镁的尺寸不一样,在这里形成固溶原子首先想到的是会有晶格的基变,更希望的是固溶原子能够使各个滑移线的密度增加,这样开启其他非基面的滑移。因此重庆大学在前期工作的基础上,我们提出固溶强化增塑的合金设计理念。首先靠增加适当原子固溶到镁基体里面取代一定的镁原子,这样可以增加滑移的阻力,可以使得镁基面的滑移阻力提升。通过不同的原子,提升不一样的效果。另一方面,如何提高强度?要提高塑性,必须启动非基面的滑移,此时适度降低非基面滑移和基面滑移的阻力,这样一方面可以提高基面滑移阻力,另一方面可以让非基面上的滑移阻力没那么快或者适当降低,提高材料塑性。


基于前面的思想,重庆大学在过去二十来年开发了大量的镁合金,包括很多高强度的变形镁合金和铸造镁合金。比如变形镁合金强度可以达到500-550MPa,延伸率可以达到10%以上。而高强度的铸造镁合金强度可以通过适当的热处理达到350-380Mpa。里面还有一些低成本的无稀土的变性合金,还有一些高塑性合金,还有超高塑性合金,纯镁的合金非常少只有10%以下,但是合金化以后,通过固溶强化增塑延伸率可以提高50%-60%。同时开发了一些超轻合金,在航空航天有很多用处。同时还利用镁合金很多优异功能特性,比如做高电磁屏蔽性合金,还可以用在高导热的材料里。目前重庆大学有16个锌合金批准为国家牌号合金,9个锌合金成为ISO国际标准牌号合金。


对于低成本,最近有些含锰的三元体系,比如镁、锰、铝这个体系,我们会发现随着锰含量的提升,比如从1提升到3,强度有所下降,但是塑性会急剧上升,断裂延伸率可以从21%提高到50%。


刚才提到对于含钆,在室温下有超高塑性合金比如VK21,纯镁只能达到6.7%,但是通过钆的合金化,加上锆的细化晶粒,最终强度和塑性能得到大幅度提升,特别是塑性比纯镁和其他合金高很多,能达到60%甚至70%以上。


同时开发低成本的高塑性的铸造镁合金:AE81M。AE81铸轧的流动性优于常见的AZ91D镁合金,同时由于加入少量的稀土,对熔体进行一定纯化,提高耐腐蚀性。


同时我们在常见的镁合金AM50进行一些改进,加入非常微妙的稀土元素,可以把镁合金比较严重的塑性差的问题得到很好的提升,也能提升到20%左右。


第二方面,汇报一下我们在汽车用镁合金零部件铸造工艺优化。


很多人觉得镁合金的耐蚀性比较差,最根本的原因是很多年前镁合金的纯净化做得不好,铝合金纯净化直接影响到耐蚀性能。重庆大学开发了熔体变温纯化+自纯化的工艺,可以显著降低铁的含量,显著提高镁合金耐蚀性能。比如纯化以后,铁的含量下降2-3个数量级。


同时,我们还开发了一些熔体夹杂物逆向过滤净化的原理和装备,这也在很多镁合金的企业得到大量应用。同时,我们在开发过程中,还发现比如很多活泼元素可以加入很多的合金,比如镁合金,我们采用了很多有效控制合金伤损的方法,比如液相包覆技术可以大量提高合金特别是稀土元素的摄得率。


对于基础材料来说,强度和塑性同时提升,晶粒细化是很好的概念。重庆大学开发了一些若干金属化合物在镁熔化的原位规律和控制机理,开发出了晶粒细化显著的镁基细化剂。


同时重庆大学在镁合金的构建铸造模具上进行了设计,结合我们在模具方面学科的优势做了很多整车零部件的轻量化协同设计,包括零部件结构的再设计。比如我们做镁合金的铸造模流分析,对于常见的充型困难的问题对模具进行修改,得到性能很好、铸造工艺比较优化的参数。


同时,我们团队还有一部分采用相场法模拟和揭示镁合金凝固组织形成与演变规律以及很多缺陷,通过理论研究开发出了一些熔化在线除气和铸型强化排气方法,极大减少气孔。


实际上,在航空航天的一些大件上,通常采用重力铸造。铸造过程中,经常出现裂纹,我们通过采用补焊实现,但是在压铸的过程中,这种补焊基本不可能,所以我们对裂纹做了大量研究。这方面我们主要研究里面的热裂纹,通过裂纹的敏感指数开发新的合金。同时,我们可以借助一些模拟软件对裂纹的形成过程进行模拟和预测,防止裂纹的产生。这方面,重庆大学自主开发了一些热裂的流动性模具,下面这个图可以看到,一次浇铸可以同时实现在镁合金的热裂、流动性、疏松和偏析的模具,一次铸造可以检测多种缺陷。


刚才我们提到了在镁合金里面特别是压铸里面最大的缺陷,也影响成品率的就是裂纹。我们在裂纹控制方面也做了一些深入研究。首先,我们在合金化方面进行优化,设计一些测试温度区间比较小的合金,同时添加细化剂设计晶粒细小的合金。第二,充分利用熔体纯净化,我们发现能够有效改善镁合金的热裂缺陷。第三,我们发现对模具的结构设计也非常重要,一个合理的模具设计可以有效避免热节点,减少热裂。第四,对于工艺的优化,比如压铸模温也能够显著提升镁合金的抗裂性能。


第三方面,汇报我们汽车用镁合金零部件的开发工作。


通过镁合金材料和结构的一体化,优化铸造工艺设计,获得结构更合理的座椅骨架,通过结构设计、模拟分析、模具设计得到集成度高、尺寸公差小的镁合金做骨架。除此之外,在镁合金的中控支架和镁合金的电池箱外壳等都做了工作。最近我们在做典型的镁合金的构建,比如8800吨镁合金的压铸系统,我们开发了超大系统的汽车构件(长度1.2-1.4m)。


第四方面,介绍镁合金表面处理技术及应用的进展。


镁合金比较头疼的可能是避免处理的问题。


重庆大学有一个团队专门做镁合金表面涂覆的工作,我们从多个方面对它进行研究和工业化应用。这是我们通过表面防护的镁合金产品,可以发现通过适当的表面处理可以得到外形很好的镁合金产品。一方面使用镁合金阳极氧化工艺研究。通过对环保型AZ31镁合金阳极氧化电解液配方及工艺的调整,可以得到比较好的阳极氧化膜的配方和工艺。另一方面,采用氧化铝增加镁合金的阳极耐腐蚀性。


在前期工作基础上,我们建立了多条包括阳极氧化、氟碳漆、聚氨漆、尼龙基等等,在行业得到大量的示范和应用。同时,我们最近开发了很多镁合金表面自修复的流程,特别是做到车外的一些器件时,可能由于石头磕碰等等出现一些裂纹,我们开发了自修复的膜层技术,可以有效在裂纹形成的过程中或者很短的时间内达到自修复的作用。


我们的国家镁合金材料工程技术研究中心是我国唯一的国家级镁合金专业研究开发平台、国际标准化组织镁合金技术委员会主席单位。镁合金中心还是《镁合金学报》杂志的主办单位,我们从2013年创刊以来,现在影响因子达到11,也是SCI同类期刊排名第一。


尾声


“镁合金是目前最有效也是最环保的轻量化材料。”潘复生介绍,中国镁矿资源非常丰富,占世界镁矿资源的70%以上。其中,目前已探明可开采白云石镁矿超过200亿吨,菱镁矿超过30亿吨,盐湖氯化镁储量40亿吨。另外,海水中也含有丰富的镁资源。“当前,解决镁合金性能缺点方面已有重要突破,镁合金比强度大幅度提升,为轻量化提供了重要保障。”他表示。


如今,汽车应用上已开发出几十种汽车镁合金零部件,镁合金方向盘骨架已在80%以上的汽车得到大规模应用,仪表盘支架、中控支架、显示屏支架、空调支架等大尺寸镁合金零部件已在高端品牌汽车上大规模应用。


“镁产业发展遇到了千载难逢的机会。”潘复生说,镁基材料在降低排放和能源转型两方面均可能是实现新突破的前沿新材料。碳中和、碳达峰背景下镁材料发展应用潜力巨大、大有可为,对解决世界三大难题(资源危机、环境污染和能源危机)有重要意义。




来源:中国新闻网,人民日报,光明网

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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