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逐梦高温合金

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傅恒志院士曾担任西北工业大学校长,在治校理政中表现出突出的的战略眼光和才华。在高温冶金研究领域取得丰硕的成果,与周尧和院士一起,培养出我国第一位铸造专业博士。他忠实践行着“学者两事,道德文章”的人生信条。

傅恒志曾任西北工业大学校长,并且是西工大历史上民主选举的校长。当时在全国高校正式行校长负责制,傅恒志带领学校班子成员科学决策,大刀阔斧地进行改革,在教学、科研、师资队伍建设等各方面取得了令人瞩目的成绩,受到师生员工的称赞。与治校理政相比,他在专业领域并不逊色,他是我国著名材料冶金学家和工程院院士,并与周尧和院士一起,培养出我国第一位铸造工学博士。

傅恒志,1929年8月24日生于河南省。1958年,傅恒志是当时全国铸造学科唯一考取的留苏研究生,赴苏联列宁格勒工学院,师从苏联铸造界最有名望的权威聂亨齐教授,进行耐热合金的研究工作。那时,用于航空航天尖端技术领域的镍基高温合金性能优良,但此种合金都以高含量的铝钛作为主要强化元素,必须在真空下熔化和浇注,否则极易氧化。20世纪60年代初国内这样的真空冶炼设备极少。傅恒志决心利用这次学习机会研制出一种“不含铝钛、不需真空冶炼、又与含铝钛镍基合金性能相当的高温合金,解决国内的高温材料问题。”在导师的支持下傅恒志先后设计了60余种合金方案,进行了系统的研究测试,每一种性能测试都在800℃的高温做持续数千小时的实验,还要通过少则数十数百小时,多则一千多小时的机械性能试验。时间实在是不够用,于是他每天从早到晚都泡在实验室里,有许多次为了赶出试件,甚至通宵达旦,连他的导师也为中国学生的拼命精神所折服。

功夫不负有心人。经过两年多的不懈努力和反复筛选,他终于研制出一种新合金系列。该类合金不含铝钛,不需真空冶炼,但却能达到与当时世界上含铝钛合金相当的较好力学性能和优异的铸造性能。1961年,在合金尚未最后定型、论文尚未答辩的情况下,该合金就被苏联用在某航空发动机导向叶片上。他对不含铝钛的高温合金的系统研究填补了当时国际上的空白,受到国内外专家的肯定。该成果还获得了苏联科学技术专利。

解放初期,中国铸造业的水平是落后的。为了迅速提高我国铸造业的水平,学成归国后的傅恒志继续致力于高温合金的成份、组织、铸造性能与力学性能关系的研究工作。

高温合金是广泛应用于航空、航天、舰船、发电、机床、石油和化工等工业中的耐高温材料,在航空发动机上主要用于制作热端部件,如涡轮工作叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室和压气机等部件。针对新型发动机发展需要,傅恒志开展了涡轮叶片定向凝固和单晶技术的研究,在国内首创了以控制液固界位置为基准的定向凝固稳态及非稳态过程的计算机模拟和晶向三维控制技术,显著改善了定向和单晶叶片的组织和性能,为我国叶片定向凝固及单晶技术的发展提供了关键技术。此后,针对现行定向凝固温度梯度低、冷速小、组织粗大的缺点,他又提出了超高梯度定向凝固、电磁自约束成形及凝固组织超细化的新构思,成功地获得定向超细柱晶组织,大幅度提高了高温持久性能。他领导研制的超高梯度定向凝固装置,其温度梯度超过当时世界最高水平3倍多,达1 300 K/cm,在镍基和钴基合金中,所得高温持久性能超出同类合金的100%~200%,具有国际领先水平,获国家科技进步二等奖。

高温合金的生产过程,就是金属熔炼和合金凝固的过程。没有熔炼,就没有凝固;而凝固则是熔炼的最终结果,显得尤为重要。因此,自20世纪70年代以来,傅恒志教授领导课题组主要致力于定向凝固理论、组织控制和先进材料的研究。1976年,傅恒志主持成立了“高温合金定向凝固与组织控制”科研组。他和他的同事们知难而上,在缺乏资金和存在多项技术难题的困难条件下,发扬自力更生,艰苦奋斗的创业精神,经过几年的奋战,研制出我国第一台快速定向凝固炉,其功能和技术参数,均达到了国际先进水平。随后,又有6台自行研制且各具特色的定向结晶炉在大家共同努力之下安装就绪。这些设备的研制成功和凝固实验室的建立,为工业性定向及单晶高温合金的实验研究和凝固理论的研究,创造了必要的条件,在国内很有影响,分获航空航天部一、二等奖及国家科技进步二等奖、国家发明四等奖,开辟了国际上仅有的在宽变温梯及宽变冷速条件下合金单向凝固过程的实验研究。他在国际上率先提出了液固界面非平衡溶质再分配的概念,认为液固界面存在着一个有别于平衡溶质分配的实际溶质分配系数,并相继在镍、钴和铝基合金中进行了考证和发展,发现实现溶质分配系数是溶体状态和凝固参数的函数,研究结果发表后分别被美国IAA、SIAR和SCI、EI等摘要转载,并得到美国及瑞士著名学者Cahn和Kura的高度评价。此后,傅恒志将这些研究成果拓展至亚快速凝固领域,并在高温合金和铝合金中获得超细定向柱晶。同时,从凝固基本规律出发,又最先获得枝晶向超细胞晶及超细胞晶向绝对稳定平界面转变的实验结果,并细致考察了这些转变的形态学特征及与凝固参数的响应关系,以及描述这些转变的数理模型。他还主持创建了超细晶形成与生长机制与近绝对稳定亚快速单向凝固的理论框架,对近平衡与极端不平衡之间的快速定向凝固领域进行了填补性的研究,在此领域在国内外重要刊物上发表论文百余篇。

80年代初与课题组人员交流

冶金、材料领域长期受困扰的问题之一是液态合金成形过程中的污染,特别是那些化学性活泼的金属,如钛、高温合金及某些高熔点金属,在熔炼和凝固成形中与炉衬、坩埚、铸型接触极易产生反应,导致在材料中产生各种杂质,影响性能。随着高科技对材料要求日益提高,污染的影响越发显得突出。亚快速定向凝固和组织超细化技术在实际零件上的应用也受成形容器材料的污染和其散热条件的限制。面对这个难关,傅恒志提出一个大胆的设想:完全甩掉坩埚、铸型等熔炼及成形容器,让液态金属在不与任何东西接触的情况下成形。基于这个思想,近年来傅恒志带着他的研究生们开展了电磁约束成形定向凝固的研究工作,试图全面实现无坩埚、无容器的液态金属在电磁场约束下的直接成形。经过近五年的探索,在系统试验的基础上取得了初步结果:可以使高熔点液态金属在真空和无接触情况下初步成形为多种非规则形状。这项技术如能成功,将可能是材料无接触、无污染、直接凝固成形设想的实现。这将会是材料成形的一项崭新的、有革命意义的跨越。显然,这是一项难度很大、涉及面很宽、过程异常复杂的课题。熔体成形凝固涉及电磁场、温度场、流场、溶质场的多种变化过程及它们的耦合作用,有许多新的现象和问题是以前从未遇到过的。在这个重大课题面前,傅恒志面临的是在科学上要揭示多物理场与熔体交互作用的规律及对相变过程的影响;在技术上要实现材料的无容器直接成形并控制组织结构;在应用上要解决某些高纯净高均质高性能零部件的制造问题。虽然傅恒志及他的助手们已取得了不少进展,但无论在理论或实践上他们还有很长、很艰难的路程要走。这个课题的难度虽然很大,但年逾古稀的傅恒志教授却壮心不已,满怀必胜的信心。他引用叶剑英元帅的诗句充满激情地说:“‘科学有险阻,苦战能过关’!因此,我们将再接再厉,尽心竭智,开拓创新,奋力攻关,尽快实现这一课题的重大突破,推动我国的材料冶金技术向更高更新的水平发展!”

尽管身为校长,还有社会诸多头衔,他却仍坚持带研究生,成天忙碌不堪,有时一天只能睡四五个小时,他坚持按时给研究生答疑,从不耽误研究生的课程。有人劝他不要给学生上课了,他说:“我还是人民教师的一员,教书育人是我的职责,也是我联系师生的桥梁。不教学,就脱离师生,脱离实际,校长也当不好。”他为本科生讲授的一些课程,皆属国内外高新科技理论和新成果。在不少方面还提出自己的创见。他在这8年间,培养出近20名博士生。他与周尧和院士培养出了我国第一位铸造工学博士毛协民。他撰写的《培养高水平博士生的途径》一文,被陕西省授予1991年优秀教学成果特等奖。由他和周尧和院士领导的学校铸造学科的建设与发展,一直处于全国领先地位;他所在的铸造实验室被评为全国高校实验系统先进集体,并成为国家重点实验室,到目前从这个实验室已经走出4位院士。

傅恒志曾获全国高校先进科技工作者、航空航天工业部有突出贡献的专家、劳动模范荣誉称号。1992年被俄罗斯国立圣彼得堡技术大学授予名誉博士,同年由美国传记研究院提名获世界终身成就奖,1993年当选为国际高校科学院院士,1995年入选俄罗斯宇航科学院外籍院士。傅恒志曾任中国航空学会副理事长、中国材料研究学会常务理事、国家自然科学基金第一、二、三届评审组成员、国家科委科学技术咨询成员、陕西省航空学会理事长、西安市科协名誉主席、第八届全国政协委员。

如今,已年过八旬的傅恒志院士在他生命的金秋仍不辍劳作,继续在科学的道路上探索前行。2008年,在他从教60周年的时候出版了百万余字的《先进材料定向凝固》一书,该书获得了国家新闻出版署第三届三个一百原创图书奖。为了鼓励学院的博士研究生能够踏实潜心开展创新性研究,他从自己积攒的工资中拿出大笔钱在学院设立“崇德奖学金”,用于资助学院德才兼备、具有较强创新能力且做出突出贡献的在读博士研究生。傅恒志用他的言行无时无刻不在潜移默化地影响着广大师生。

傅恒志院士还非常重视对学生科学精神和创新精神的培养。2011年3月,他为学校一千多名学生作了“宇宙大爆炸”的科普报告。这个看似简单的科普报告,却是他花了几年时间搜集整理了大量文献资料精心准备而成的。在长达两个小时的报告会中,已是耄耋之年的傅院士一直保持着矍铄的精神状态,他关于宇宙大爆炸和时间反演理论的讲解,极大地激发了同学们学习和创新的热情,其严谨的科学态度更激励着年轻人为了学校和国家的繁荣昌盛而不懈奋斗。傅院士认为,科普工作是一项崇高而神圣的事业,一个科学普及的民族,才能是一个有生机和希望的民族。他希望同学们在学习知识的同时,要努力强化创新思维的训练,在学习中不断加强探索和研究能力。2012年3月,傅恒志院士在学校“翱翔名家讲堂”中,以自己的亲身经历讲述了从西北工学院、华东航空学院、哈尔滨军事工程学院空军系到西北工业大学一路坎坷的校情校史,为同学们阐释了工大人骨血里流淌的“传承与创新”。

2013年5月,学校实施本科生翱翔英才计划,组建“追梦班”,计划每年在获得校三好学生标兵、优秀干部标兵、国家奖学金、国际科技竞赛等奖励的本科生中,选拔优秀学生进行综合素质培养。傅恒志院士不顾年事已高,毫不迟疑地接受了学校和同学们的邀请,担任了西工大首届本科生翱翔英才“追梦班”的名誉班主任。他说:“学生需要什么,我就干什么,随叫随到。”

光阴荏苒,岁月如梭。回忆起自己的成长道路,傅恒志说:“自古学者两事,道德、文章。对知识分子来说,既要业务上精益求精,又要有先天下之忧而忧,后天下之乐而乐的情操,既应是业务上的专家,又应该做无产阶级的革命战士。”——这就是他,一位对国家对人民有着强烈责任感的知识分子的毕生追求。

                             (材料学院供稿)

 (来源:《西工大故事1》 西北工业大学出版社,2013.10)

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