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中南大学材料科学与工程学院刘志义 : 铝合金架构起行业脊梁

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2022年12月15日 10:15:15
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“择一事,终一生。我这一辈子几乎都奉献给了铝合金事业。”

2016年与2022年,由中南大学材料科学与工程学院教授刘志义率领团队自主开发出的两种耐热铝合金相继获行业合金牌号“2A43”与“212Z.1”。


这不是刘志义第一次看到自己的科研成果顺利“奔现”,也绝不是最后一次,但那份藏于心底的欣喜与激动,却是多年未减。


“择一事,终一生。我这一辈子几乎都奉献给了铝合金事业。”


刘志义自1979年踏入湘潭大学材料科学与工程专业那一刻起,便一心扑在“如何能让这种人造金属更为坚固耐用”的方法探究之上,数十年如一日地坚守在实验室中。“做科研需要专注,一定要守得住寂寞。”这是他在业内砥砺前行数十年的基本信仰


▲刘志义参加在韩国召开的国际材料学术会议


书生意气,挥斥方遒


“要德智体全面发展,夯实专业知识,锻炼强健体魄,坚定、健康地为党工作50年。”大学时,系党支部书记的一句振奋呼吁,让刘志义印象深刻。


谈起对于材料科学与工程专业的选择,他回忆是源自一本在高中图书室偶然翻开的中学生科普读物,字里行间展现“材料”的发展前景,并预判一些新兴材料在未来一定会被大规模地应用于日常生活中。怀揣一颗报国利民的拳拳之心,刘志义毅然踏入此领域,一扎根就是几十年。


本科毕业后,刘志义顺应时代发展,进入湖南涟源钢铁厂技术监督处成为一名技术监督员。在生产一线,他看到许多良莠不齐的金属建材,“知其然,还要知其所以然,产品质量是否符合标准是一回事,是什么原因导致产品不合格又是另外一回事,我发现其中的很多问题我都不能用已学的知识来解释。”一种“纸上得来终觉浅”的挫败感催生了心底的求知欲,他随即下决心一定要考入哈尔滨工业大学——这所在工业界声名远播的学府——继续深造。


跨越山海、由南向北的这段求学之路,刘志义走得并不顺畅。起初,因为刘志义报考的金属材料热处理专业与其之前所学稍有差别,导致他在专业科目的考试中发挥得并不十分理想。不过幸运的是,他的一线工作经历引起了导师的注意与青睐,“导师觉得我在生产一线工作了4年,对实际问题的处理和把握应该会比较成熟”。


正是凭借着这样的信任,他在入学不久就获得了参与重大科研课题的机会。随后在一个原航天部牵头的重要课题中,他再次被带队导师委以重任,同时给予了他极高的学术自由度。虽然完成任务的过程中有诸多困难,但这让刘志义第一次切实感受到了独立科研的成就感。他确信,这将会是他为之奋斗一生的事业。“那么首先要做的,就是继续充实自己。”


1990—1994年对于刘志义而言,是科研生涯中浓墨重彩的一段旅程。本科阶段打好“地基”、硕士阶段攻关热处理方向之后,博士期间,刘志义有意识地拓宽自身的知识面,选择了金属变形加工类专业进行深研。


在阅读文献时注意到集成电路会因电流过大而被破坏的机制之后,他突然意识到:原来电流可以推动原子迁移及扩散。很快,这种想法就被他“迁移”到了金属变形加工的过程之中。


在金属变形环节,他创新性地提出引入电脉冲的外场作用,以增加原子扩散和位错滑移的速率,提高超塑成形效率。这是国内首次有人尝试将电脉冲等技术与金属超塑变形相结合,为行业提供了全新的路径与可能。


凭借这一革命性的科学成果,刘志义在博士毕业时便在《科学通报》上发表了2篇学术文章,相关成果收获了高等学校科学研究优秀成果奖科技进步奖,这对于一位尚在“象牙塔”中的学生而言,无疑是一种殊荣。


面对成就,刘志义却说:“抛砖引玉而已,未来还希望大家共同努力,助力行业蓬勃发展。”


▲刘志义(左五)参加课题组举办的博士研究生毕业答辩会


立足实践,壮心未已


从博士后一路晋升至教授,刘志义先后辗转于西北工业大学凝固技术国家重点实验室与石油大学(华东)机械学院,这段宝贵时光为刘志义带来了在金属“四大学科”研究上的全面发展。


铸造与焊接方面的知识补充使得他在考虑科研问题时变得更加全面与细致:不仅可以兼顾成果转化阶段与一线生产人员的沟通问题,还能熟练地调控产品的工艺性能,这对于他科研工作的进行无异于锦上添花。


就在事业发展得如火如荼之际,刘志义却因健康问题悄然离开石油大学(华东),回到家乡湖南,在中南大学材料科学与工程学院出任教授。


依托中南大学的平台,刘志义遵循着铝合金的实际应用场景,首先聚焦在我国的航空事业之上。在航空领域内,铝合金的抗疲劳损伤问题一直是国内外的研究热点。不仅美国波音公司与Alco铝业公司合作,在2020年以前将飞机的寿命提高了20%、重量降低20%;我国也对大飞机的飞行寿命要求提高至9万飞行小时和9万起落架次,且在“十一五”“十二五”“973”等计划中都将铝合金耐损伤列为重要研究内容。


针对此种发展动向,刘志义率先带领团队承接了国家自然科学基金项目“Al-Cu-Mg合金抗疲劳的溶质原子团簇尺寸效应机理”,并在项目中采用三维原子探针、高分辨透射电镜、透射电镜、DSC等现代分析方法,旨在探究溶质原子团簇尺寸对模量强化效应的影响、原子团簇与位错交互作用、原子团簇尺寸对驻留滑移带的形成、裂纹萌生及短裂纹扩展的影响机理等问题,开展疲劳裂纹尖端溶质原子团簇溶解热力学及团簇尺寸对原子团簇溶解动力学的影响机理分析,以揭示溶质原子团簇尺寸对Al-Cu-Mg合金疲劳性能的影响机制,由此获得Al-Cu-Mg合金的新型耐疲劳损伤微结构及其控制方法,发展铝合金耐疲劳损伤的新型热处理技术原型和新的热处理状态,最终提升我国铝合金产业技术水平及航空制造技术水平。目前,刘志义及团队在相关领域已成功获得10项国家发明专利授权。


此外,铝合金的耐热问题也是刘志义重点攻克的目标之一。


他不仅先后发明了新一代耐热铝合金“2A43”与新型耐热铸造铝合金“212Z.1”,还突破了20吨大铸锭工程化制备和锻件板材的加工,并开发出了工业化航天飞行器的舱段铸件。


更值得一提的是,这些工业化锻件和板材已经在航天飞行器上获得应用,迄今已连续稳定地供货4年有余,且此成果斩获了中国发明协会创新奖一等奖。


由于铝合金材料具有很强的普适性,刘志义团队近年来进一步拓展了其应用领域。


在电弧3D打印方面,他们发明了相应的耐热铝合金及其丝材制备技术,突破了工程化加工制备和电弧3D打印;而在石油钻探领域,他们则开发了一种制备油井管的高耐腐蚀型耐热铝合金,目前这一成果已经取得井下试验的成功。


“截至目前,我的相关技术成果基本都已完成产业转化,且经过市场检验。未来我唯一的心愿就是将我和团队开发出的新型航空铝合金材料进行大力推广。”


据刘志义介绍,在大飞机制造的八大系统中,只有机尾一个部分目前可以完全由我国独立制造,其余还需在一定程度上依赖进口技术或材料。年近耳顺,刘志义不忘初心,在科研之路上,他仍志在千里。


“新兴技术已经在与企业接触洽谈合作。”他透露道,“未来我国的航空与材料行业,一定会扶摇直上,鹏程万里。”他坚定道。

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