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孙宝德:铸造科学人生

时间:2013-01-31 17:22:14  来源:  作者:

 铸造,学名凝固,俗称翻砂,就是我学习和工作了三十二年的专业领域。把金属或者合金熔化成液体,浇到一个模具里,冷下来形成一个坚硬的铸件,就是铸造。生活中最简单的例子就是做冰棒,水在模具里结成了冰,由液态变成固态的过程,就叫凝固过程。

  几乎所有的金属材料都要经历至少一次凝固过程。从航空发动机的单晶和多晶叶片、机匣等关键部件到大飞机用的铝合金板锭、钛合金铸件,从计算机芯片用的硅晶体、溅射靶材到太阳能用的单晶硅、多晶硅等关键材料,无一不是经过凝固形成的,铸造技术的落后制约了我国相关产业的竞争力,技术水平与世界先进水平相差二三十年。就连世人热捧的iPad、iMac等时尚电子产品,其铝合金壳体都要先铸造、再挤压,然后从12毫米厚的铝板铣削到2毫米以下, 90%的板材变成铝屑废弃了。能不能直接铸造和挤压成2毫米的薄板呢?答案是否定的,原因是性能达不到要求,可见材料热加工技术落后造成了多大的浪费。

  从1993年来交大做博士后开始,从事凝固科学与技术研究和教学已近二十年。今不揣冒昧,谈谈做大学教师二十年来成长的体会,与青年教师和学生们分享,谬误之处,请大家多多批评指正。

  选好学术方向

  对刚刚留校的青年教师来讲,选择学术方向乃第一要务,而企业对共性关键技术的迫切需求中恰恰隐藏着最好的学术方向。1995年底,从交大材料学院博士后流动站出站的我,正在思考和选择今后的路。此时,恰逢我的博士导师周尧和院士被上海交大的领导盛情邀请来校工作。恩师德高望重,学术造诣精深。作为周老师的学生,我能够有机会为他做助手,深感荣幸,从此开始了我在交大材料学院任教的职业生涯。

  课题组刚刚成立,遇到的第一个重大问题就是选择未来的学术主攻方向。是从文献资料中寻找学术方向?还是从生产实践中发现值得努力的主攻方向?不同的人有不同的思路和做法,各有其道理。周老师上世纪七十年代末在世界上率先研究和发明了保温冒口,保温冒口的使用极大地节约了铸造所用原材料和消耗的能源,该发明后来成为世界铸造行业普遍采用的工艺路线,周老师因此也扬名天下。这件事情深深启发了我们这些弟子们选择学术发展方向和目标的思路,那就是要找到既贴近生产实际需求又具有长远科学研究价值的学术方向。在周老师的指导下,我们把“从文献资料中寻找”和“从生产实践中发现”这两种做法结合了起来,一方面认真阅读最新的科技文献,总结归纳学科发展的前沿问题和学术热点;一方面到企业做实地调查,试图发现企业发展中具有共性需求的课题方向。经过大量的调查研究我们发现企业采用新技术的自主性是受限的,主要是受国外或者用户的技术标准或者产品价格的制约,但是,通过新技术的应用降低生产成本则是企业乐于接受的。经过研究我们发现,降低生产成本的一个重要手段就是将生产中产生的大量废料进行循环利用。所以,废料再生,便成了我们可供选择的重要方向之一。与此同时,周尧和院士也在认真思索和研究相关的学术方向问题,他曾经给过我们一份在美国考察时所写的关于铝合金中非金属夹杂物对材料性能影响的调研报告,周院士从MIT著名冶金学家FLAMINGS那里得到了重要信息,日本丰田公司正在研究采用电磁净化方法去除铝合金中的夹杂物,是废料再生和提高材料性能的关键技术。就这样,实地考察结果和学术大家的研究思路不谋而合,从而确定了课题组的第一个学术方向,即材料纯净化与废料再生。

  形成科研思路

  没有对基础理论的深刻理解,就不可能有真正的发明创造。确定了学术主攻方向以后,怎么实现?采用电磁净化的技术路线实现微细夹杂物的去除已经定下来了,问题是美国、法国、日本以及国内大学都有从事电磁净化研究的科研小组,但电磁净化工艺一直无法用到生产实践上,主要障碍是电磁净化一小时只能处理几百公斤铝液,而生产中一小时需要处理十多吨到三十多吨的铝液,因此,电磁净化技术无法用到生产实践中去,迫切需要提高电磁净化的效率,这就需要在电磁净化原理上有新的突破。在周老师领导下,课题组集中了主要力量聚焦在电磁净化新原理的研究上,在国家自然科学基金和973课题的支持下,经过五年的努力,终于在电磁净化新原理上实现了两个重要突破,其一是巧妙地利用了方形管式过滤器在电磁场作用下存在二次流动的原理,加速了夹杂向过滤器壁面的运动;其二是利用多级连续净化方法克服了电磁屏蔽效应。这两个原理上的突破使电磁净化处理铝液的速度有了数量级的提高。课题组研制的具有自主知识产权的电磁净化器在国际上首先用于企业的规模生产,应用厂家十多家,净化效率超过世界先进过滤器的效果。十多年来,在电磁净化研究方面累计发表高水平论文100余篇,获得包括1项美国专利在内的发明专利50多项,并获得了国家发明二等奖和上海市科技进步一等奖。

  在长期的科研实践中,课题组的老师和学生逐渐形成了课题选择和科研的思路,那就是深入到企业生产一线去调查研究企业重大需求,梳理关键技术,提炼科学问题;通过研究解决科学问题,为技术研发奠定理论基础、提供解决思路,进而实现关键技术的突破并且持续开展产业化应用研究,直到解决企业的生产问题。我们深深体会到,对于工科这样的学科,从实践中提炼并解决科学问题是关键,是解决技术难题的金钥匙。沿着这个思路,课题组还开展了高纯和超高纯电子用铝材料的提纯技术研究,铝合金细化技术研究,高压输电线用高导高强铝合金研究等,在发表了多篇论文和获得多项发明专利的同时,通过产学研合作等途径,不同程度地实现了产业化。

  国家重大需求带来重大发展机遇,以贡献求发展。2007年,大飞机重大专项落户上海,商用发动机紧迫的研发任务对高温材料及其精密铸造技术带来了重大需求,也给交大带来了重大机遇。恰好学校要从国外引进一些人才,结合材料学院的原有条件,高温材料精密铸造实验室呼之欲出。我有幸受命组建这个实验室,开始一个新方向的开拓。一开始还有些犹豫,认为在铝合金纯净化和微细化研究方面已经有了较好的基础,不想开拓新的方向,反映了自己传统思维的局限性。在校领导的教育和启发下,我深刻认识到重大需求会带来重大发展机遇,为国家重大需求做贡献是我们义不容辞的责任和义务,同时也会对我校材料学科、对课题组的发展做出较大的贡献。在学校和学院领导的大力支持下,在全体教师和学生的共同努力下,我们建成了国内领先的大型铸件精密铸造研究平台,先后获得了973项目、国家重大专项配套研制项目及上海市重大基础研究项目的支持,根据项目需要组建了一支跨学校、跨学院、跨学科的研究队伍,沿着引进消化吸收再创新的路线,一方面积极跟踪学习国外先进工艺,另一方面深入开展相关基础研究及应用基础研究,经过五年艰苦努力,基本解决了高温合金大型复杂薄壁铸件的精密铸造技术难题,满足了国家在航空发动机研制中解决瓶颈技术的需求,获得了中航用户单位的好评,开发的成套技术也通过技术转移实现了与中航集团的合作。

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