蔡 萌

鑄造，是一切工業(yè)之基礎(chǔ)，如果沒有鑄造行業(yè)的支撐，各種工業(yè)生產(chǎn)生活必備用具，以及國防軍工武器產(chǎn)品均無法誕生。一個國家的工業(yè)要振興，離不開先進(jìn)的制造技術(shù)，而鑄造無疑應(yīng)該排在先進(jìn)制造技術(shù)的前端。所以，鑄造技術(shù)水平的高低已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的重要標(biāo)志，同樣也是一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全的重要組成部分。

我國是一個歷史悠久的鑄造大國，中國鑄造產(chǎn)業(yè)也一直是國民經(jīng)濟(jì)中重要的、基礎(chǔ)性的、不可替代的產(chǎn)業(yè)。雖然是一門古老的行業(yè)，但鑄造也在時代發(fā)展中不斷創(chuàng)新，新工藝、新材料、新設(shè)備以及如何高效使用設(shè)備都是一次次的創(chuàng)新過程。

西北工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“西工大”），作為我國唯一以“航空、航天、航?！比綖樘厣膰缹W(xué)科高等學(xué)府，長期以來推動著鑄造現(xiàn)代化的前進(jìn)步伐，并穩(wěn)定保持在國內(nèi)頂級水平。在周堯和、傅恒志和張立同3位院士的主持開拓下，在西工大鑄造專業(yè)國家重點學(xué)科基礎(chǔ)上建立起來的凝固技術(shù)實驗室，經(jīng)過20余年的風(fēng)雨兼程，已經(jīng)發(fā)展成為由材料科學(xué)與工程國家A類一級重點學(xué)科支撐的國家重點實驗室。

介萬奇（前排左二）與學(xué)生一起討論問題

凝固技術(shù)國家重點實驗室（以下簡稱“實驗室”）自建成以來，將過去傳統(tǒng)的鑄造專業(yè)帶入到了一個更為廣泛、更為通用的領(lǐng)域。幾代科研人薪火相傳，不斷積累，將成果成功運用到國家的高端裝備制造業(yè)中，興國興邦，用科研雄心鑄造中華民族偉大復(fù)興的中國夢。

在西工大任教工作了30余年的介萬奇教授于20世紀(jì)90年代實驗室成立初期，曾經(jīng)擔(dān)任過一年的常務(wù)副主任，是實驗室重要的骨干成員和藍(lán)圖繪制者，后來又在西工大材料學(xué)院成立之時做了6年的院長。卸任之后，他專心耕耘在科研與教學(xué)第一線，成為我國凝固技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人之一，面向國際科技前沿、學(xué)科發(fā)展以及國家重大戰(zhàn)略需求，凝練發(fā)展目標(biāo)和研究方向，開展了大量原創(chuàng)性、系統(tǒng)性的科學(xué)研究，打造出一支高水平的研究團(tuán)隊，培養(yǎng)和匯聚了一批高層次的學(xué)科領(lǐng)軍人才，帶領(lǐng)著這些“鑄夢人”在探索材料科學(xué)的道路上，砥礪前行，勇攀高峰，攻克了一個又一個技術(shù)難關(guān)。

打破“卡脖子”局面

凝固是物質(zhì)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^程，水結(jié)冰、金屬鑄造、焊接、半導(dǎo)體晶體的熔體生長過程等自然界和工業(yè)過程中普遍發(fā)生的現(xiàn)象都屬于凝固過程。凝固理論研究不僅提供對凝固過程的科學(xué)認(rèn)識和深刻理解，還是發(fā)展先進(jìn)凝固技術(shù)和先進(jìn)材料的基礎(chǔ)。

介萬奇介紹說，自“十一五”以來，我國航空航天、汽車、高鐵等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時期，多種重大型號陸續(xù)進(jìn)入設(shè)計定型階段，大型復(fù)雜高質(zhì)量鋁合金構(gòu)件的成型方法成為決定產(chǎn)品設(shè)計方案和性能的重要影響因素，而鑄造是獲得大型復(fù)雜鋁合金構(gòu)件短流程、低成本、整體成型的最佳方法，但傳統(tǒng)鑄造技術(shù)存在成型精度低、鑄件質(zhì)量差等問題，成為制約大型復(fù)雜鋁合金鑄件在高端裝備中應(yīng)用的瓶頸，亟須開發(fā)一種大型高質(zhì)量鋁合金構(gòu)件的鑄造新技術(shù)。

大型高質(zhì)量鋁合金構(gòu)件的鑄造是軍民兩用重大裝備實現(xiàn)整體化、輕量化、精密化制造的關(guān)鍵技術(shù)。隨著國防高技術(shù)武器裝備的跨代發(fā)展，對于超高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)功能材料和金屬材料也提出了越來越苛刻的要求，如溫度更高、航時更長、強(qiáng)度更高、功能更強(qiáng)等。

“比如渦扇發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)殼體、新型重卡變速系統(tǒng)殼體等，不僅形狀復(fù)雜，尺寸精度高，而且力學(xué)性能和致密度要求苛刻，傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)。飛機(jī)艙門等部件采用機(jī)械加工20多個零件，再用數(shù)百個連接件組裝成整體結(jié)構(gòu)，而復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體精鑄，不僅能縮短工藝流程、降低成本，而且可提高結(jié)構(gòu)的整體性能?！闭f到這的時候，介萬奇話鋒一轉(zhuǎn)，“但是，鑄件的質(zhì)量控制成了難點和痛點！”

據(jù)介萬奇回憶，21世紀(jì)初期國內(nèi)有好多航空航天大型鋁合金鑄件存在著冶金質(zhì)量的問題，鑄件性能達(dá)不到要求。主要是由于鑄造過程中鑄件過大，凝固過程非常復(fù)雜，會產(chǎn)生各種各樣的缺陷。“比如壁厚很薄的時候，凝固得比較快。如果你的工藝不好，這個地方合金液還沒澆進(jìn)去，那個地方已經(jīng)凝固了。不協(xié)調(diào)的話就會不均勻，就會出現(xiàn)各種各樣的缺陷。”介萬奇解釋道，“只有把這些缺陷解決了，鑄件的性能才能達(dá)到使用要求。當(dāng)時國內(nèi)遇到了好幾個航空航天的型號，都是因為大型鑄件的問題解決不了，只能依靠從國外進(jìn)口。”

被國外同行“卡脖子”，這讓以介萬奇為代表的鑄造人寢食難安。為了改變這一被動的局面，他們用了近15年的時間進(jìn)行凝固原理研究和鑄造技術(shù)創(chuàng)新，在重點解決大型零部件的凝固組織致密度和鑄造缺陷控制等問題上，顛覆了原來的傳統(tǒng)和固有思路，摸索走出了屬于自己的一條路，無論從制造方法，還是工藝技術(shù)裝備上，都是一個獨創(chuàng)的結(jié)果。

團(tuán)隊在介萬奇的帶領(lǐng)下，開發(fā)出大型高質(zhì)量鋁合金構(gòu)件控壓成型鑄造新技術(shù)，解決了大型鋁合金構(gòu)件整體成型和組織性能調(diào)控難題，研制出當(dāng)時國際上史無前例的輪廓尺寸達(dá)3000mm的高性能復(fù)雜鋁合金精鑄件；創(chuàng)建了大型高質(zhì)量鋁合金構(gòu)件冶金質(zhì)量控制新工藝，實現(xiàn)了高致密、高性能鑄件成型，突破了鑄件力學(xué)性能必須打折60%～70%使用的傳統(tǒng)觀念；提出了大型復(fù)雜薄壁構(gòu)件尺寸精度綜合控制技術(shù)，解決了大型復(fù)雜鑄件尺寸精度控制難題，實現(xiàn)了3000mm以上鑄件尺寸精度優(yōu)于CT7級；自主研發(fā)出大型控壓成型鑄造裝備，解決了大尺寸、大噸位異形構(gòu)件的成型工藝難題，填補(bǔ)了我國大型控壓成型鑄造裝備技術(shù)空白。

這一成果不僅擺脫了國外技術(shù)的制約與束縛，并且整體達(dá)到了國際先進(jìn)水平，保障了國家重大型號的研發(fā)與批產(chǎn)，在我國各型先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、超高速導(dǎo)彈、空間站、衛(wèi)星、核電、燃機(jī)等大量型號任務(wù)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，并且應(yīng)用于高鐵、汽車關(guān)鍵鑄件的生產(chǎn)中，提升了國有企業(yè)的核心競爭力，產(chǎn)生了巨大社會和經(jīng)濟(jì)效益，介萬奇團(tuán)隊也憑此成果獲得了2020年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎的榮譽。

新材料的誕生

輻射已經(jīng)算得上是一個老生常談的話題。我們的日常生活中，放射源無處不在。在醫(yī)院進(jìn)行CT檢查，通過機(jī)場、火車站和地鐵站的安檢儀，甚至使用不達(dá)標(biāo)的大理石建材等，都會受到放射性物質(zhì)的影響。

如何監(jiān)控日常生活中的輻射量呢？科學(xué)家告訴我們，X射線和伽馬射線探測器是核科學(xué)技術(shù)、公共安全監(jiān)測、核醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)無損檢測、空間天文觀測等領(lǐng)域的核心器件。當(dāng)年，基于射線探測器的儀器設(shè)備有上百種，每年有數(shù)百億美元的市場。但是市場上流行的同類產(chǎn)品卻一直飽受傳統(tǒng)材料純度低、反應(yīng)慢和靈敏度低等技術(shù)缺陷的困擾。

在2004年前后，國際上突然關(guān)注到一種叫碲鋅鎘（CZT）的材料，由于它對輻射監(jiān)測的靈敏度和準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料，被認(rèn)為是做X射線、伽馬射線探測的最優(yōu)選擇。碲鋅鎘探測器成為可在非制冷條件下工作的國際公認(rèn)的新一代高能射線半導(dǎo)體輻射探測器。然而，探測器級CZT晶體對物理性能具有非?？量痰囊?，由于其在生長溫度下的熱導(dǎo)率低、堆垛層錯能低、強(qiáng)度低，容易形成陽離子空位、位錯、Te沉淀相等結(jié)構(gòu)缺陷，使得晶體電學(xué)性能難以達(dá)到使用要求。解決以上問題需要將成分設(shè)計和制備技術(shù)相結(jié)合，是探測器級的CZT晶體材料研制的難點。所以，盡管國內(nèi)外做這個材料研究的學(xué)者和團(tuán)隊眾多，最后真正能做到實現(xiàn)應(yīng)用的也只有美國、加拿大、以色列三國。

早在1993年，鑒于國內(nèi)在輻射監(jiān)測檢測材料研究領(lǐng)域的短板，介萬奇團(tuán)隊就已經(jīng)開始了Ⅱ-Ⅵ族化合物光電子材料晶體生長技術(shù)、性能表征及應(yīng)用技術(shù)的研究。他們決定將金屬凝固的技術(shù)應(yīng)用到電子材料，“電子材料和金屬材料的要求不一樣，金屬材料的話，我主要探索控制它的力學(xué)性能，而如果半導(dǎo)體的話，還要考慮它的電學(xué)性能”。在介萬奇看來，材料科學(xué)不僅要解決重要理論問題，更要注重實際應(yīng)用，只有將理論與技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合才能取得突破。

通過十余年的探索攻關(guān)，介萬奇團(tuán)隊發(fā)明了在常壓布里奇曼法中引入成分補(bǔ)償與摻雜和對流控制的新技術(shù)，以及可控氣氛退火等30余項專利技術(shù)，在我國首次解決了晶體材料的成分設(shè)計和優(yōu)化、晶體合成與生長、晶體加工與表面處理以及探測器元件的制備等諸多技術(shù)難題，開發(fā)出了高性能的探測器級CZT晶體及高效率、低成本單晶制備技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，一舉打破了國外壟斷與封鎖。

介萬奇團(tuán)隊所開發(fā)的CZT晶體經(jīng)英國盧瑟福國家實驗室、中核北京核儀器廠等國內(nèi)外多家權(quán)威機(jī)構(gòu)測定一致表明其性能優(yōu)異，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。與此同時，與當(dāng)年國際最先進(jìn)的傳統(tǒng)工藝技術(shù)相比，依托該技術(shù)生成的晶體材料成品率提高了3至5倍，生產(chǎn)效率提高3倍以上，但綜合成本卻降低了50%以上。在2013年，介萬奇主持完成的這項“高能射線探測器用碲鋅鎘晶體材料及制備技術(shù)”獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎的榮譽。

以該項技術(shù)成果轉(zhuǎn)化研發(fā)的空間伽馬射線和粒子計數(shù)儀主要應(yīng)用于空間生物技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)實驗，并在當(dāng)年成功搭載我國首顆微重力衛(wèi)星“實踐十號”一舉飛上太空，主要負(fù)責(zé)對衛(wèi)星上攜帶的生物體在太空中受到宇宙射線輻射的定量測量分析。

對此，介萬奇介紹道，生物體在太空當(dāng)中停留一定周期后，在各種外太空宇宙射線的輻射下，其基因會發(fā)生一定的變化甚至變異。而了解這些變化，對于人類對生命科學(xué)和載人航天等領(lǐng)域的研究有著重大的意義。團(tuán)隊研發(fā)的空間伽馬射線和粒子計數(shù)儀可以精確地測量出在當(dāng)前環(huán)境下生物體受到宇宙射線的輻射量。測量結(jié)果與生物體基因變化程度形成了對應(yīng)，可以為空間生命科學(xué)的研究提供科學(xué)、客觀的數(shù)據(jù)分析。

此外，團(tuán)隊開發(fā)的核輻射探測器已在中國工程物理研究院、中國原子能研究院和西北核技術(shù)研究所成功應(yīng)用，為我國的核科學(xué)實驗和核安全監(jiān)控提供了有力支撐。開發(fā)的線陣和面陣CZT探測模塊，解決了骨密度儀、醫(yī)用CT等高端醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)無損探傷設(shè)備對核心探測器的需求，尤其是在在醫(yī)學(xué)CT、X光等人體醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用中，介萬奇團(tuán)隊研究的設(shè)備在達(dá)到同樣效果的前提下，在輻射劑量上會減少很多，大大降低了對人體的傷害。研究成果還廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染檢測、工業(yè)CT、機(jī)場火車站安檢，甚至包括我們網(wǎng)購過程中所有郵寄包裹的“透視”檢測……為我國在上述領(lǐng)域同時實現(xiàn)國產(chǎn)化替代進(jìn)口以及第三代技術(shù)替代第二代技術(shù)的跨越奠定了基礎(chǔ)，使我國成為世界僅有幾個的掌握該項核心新材料技術(shù)的國家之一，大大提升了我國核輻射探測儀器研發(fā)領(lǐng)域的國際話語權(quán)。

“有志氣、講團(tuán)結(jié)、肯拼搏”

“有志氣、講團(tuán)結(jié)、肯拼搏”，這是當(dāng)年介萬奇的恩師周堯和院士對于團(tuán)隊和學(xué)生的要求。薪火相傳，這也成為西工大凝固技術(shù)國家重點實驗室和介萬奇研究團(tuán)隊20余年“傳幫帶”繼承下來的優(yōu)良傳統(tǒng)。

介萬奇常說，鑄造是一個團(tuán)隊合作的行業(yè)，哪個環(huán)節(jié)出了問題，都會讓所有人的努力前功盡棄?！拔易鳛榭傮w負(fù)責(zé)和綜合設(shè)計者，雖然很多原理是我提出來的，但是真正把一個設(shè)計的原理圖形成技術(shù)，變成裝備，要涉及機(jī)械、電子、控制、生產(chǎn)等好多領(lǐng)域，這些工作量是巨大的，需要大家合作共同完成，而且一定是要在非常密切協(xié)調(diào)的合作過程中完成的?！苯槿f奇舉了一個鑄造行業(yè)里最常見的例子，“做一個鑄件的時候，有負(fù)責(zé)造型的，有負(fù)責(zé)冶煉的，有負(fù)責(zé)澆筑過程控制的，各自解決的問題是一個整體不同的側(cè)面，比如尺寸精度、致密度、力學(xué)性能等，但這些都是在同一個過程中發(fā)生的。這些環(huán)節(jié)要是配合得不好，中間可能就會出現(xiàn)漏洞，工藝過程就會出現(xiàn)差錯，最后就只能是一堆廢品！”

另外，在介萬奇看來，科學(xué)研究不能只是在實驗室里紙上談兵，或者僅僅是寫在論文里的一個理論成果，最后一定要把它落實到生產(chǎn)工藝當(dāng)中去，要真正在生產(chǎn)線上實現(xiàn)，那便又需要產(chǎn)學(xué)研一系列的配合。高校的大量研究成果，如何走出象牙塔，破繭成蝶，將高精尖的技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌稣J(rèn)可的產(chǎn)品，這是長久以來眾多高?？蒲谐晒D(zhuǎn)化的難題，也一直是介萬奇團(tuán)隊不斷探索的前進(jìn)方向。

“頂天立地”——這是介萬奇為團(tuán)隊的研究工作制定的思路，“要上書架，也要上貨架！”積極開展科研成果轉(zhuǎn)化，將技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。以介萬奇團(tuán)隊研發(fā)的新型輻射材料與器件技術(shù)為基礎(chǔ)，在西北工業(yè)大學(xué)科研成果轉(zhuǎn)化相關(guān)政策的支持下，他們組建了國內(nèi)唯一的探測器級CZT晶體生產(chǎn)企業(yè)——陜西迪泰克新材料有限公司，填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的多項空白，打破了國外公司技術(shù)和產(chǎn)品的壟斷，提升了國產(chǎn)核與輻射儀器的核心競爭力。

“研發(fā)新材料，在實驗室里頭做，和在企業(yè)里做太不一樣了！”介萬奇感嘆道，“在實驗室，大量的材料只要成功測出一個信號，測一測數(shù)據(jù)就可以發(fā)文章了。但是在企業(yè)里，這可不行，你要考慮成品率，我做一批多少個是好的，多少個是不好的。還要考慮到工業(yè)設(shè)計。這些都是我們在組建企業(yè)之后所面臨的問題，好在經(jīng)過努力，我們逐漸把這些問題都解決掉了，也形成了一系列有影響力的產(chǎn)品。”正是這種攻堅克難、精益求精的精神，使得介萬奇團(tuán)隊在產(chǎn)業(yè)化落地的時候，得到了業(yè)內(nèi)極高的認(rèn)同度。

“真正要把一項技術(shù)、一個材料，從實驗室結(jié)果最后成功做成一個成熟的產(chǎn)品，這里面要經(jīng)歷千辛萬苦，過程實在是太復(fù)雜了，我們能夠堅持下來，確實很不容易！”一向不言辛苦的介萬奇在回顧團(tuán)隊的產(chǎn)學(xué)研歷程時也禁不住感慨，“我們都是從0到1的這種突破，這種突破是最難的，彎路沒少走，苦頭沒少吃?！背晒Φ慕?jīng)驗都是在失敗中得來，對于前沿科學(xué)技術(shù)的認(rèn)知和掌握需要科研人員反復(fù)鉆研，重復(fù)做成百上千次的試驗，但也正是他們的默默堅守和不懈努力，才有了今天令人矚目的成績。

美國人斯科特·派克在《少有人走的路》里陳述過一個觀點：當(dāng)你碰到問題的時候，一個成熟的人一定會選擇面對問題解決問題，而不成熟的人則會想方設(shè)法地繞過問題。書里說，你愿不愿意面對困難，是一個人成熟與否的標(biāo)志。介萬奇團(tuán)隊也正是時刻如此勉勵自己，無論是科研本身還是企業(yè)的發(fā)展，都沒有捷徑可走，來不得半點虛假和自欺欺人，任何憑僥幸心理試圖一舉成功的做法都是不可能的。科學(xué)前沿的重要問題往往都是世界級難題，既要靠智力，也要靠專注和毅力。在困境中能夠咬牙堅持住，才會在經(jīng)歷風(fēng)雨之后，迎來美麗的彩虹。

介萬奇會把他的這一觀點在日常交流中灌輸給他的團(tuán)隊成員，在他的團(tuán)隊里，有跟隨他一路前行十多年的“老戰(zhàn)友”，也有意氣風(fēng)發(fā)的海歸學(xué)者，更多的是對未來充滿了期望的年輕一代。在介萬奇的眼中，他的學(xué)生都是非常優(yōu)秀的，只不過還需要時間的積累和修為。他總說，科研就像跑一場馬拉松，而不是百米競賽，智力的差別并不大，關(guān)鍵在于你能堅持多久，一年、十年還是一輩子。在這個過程中，對手不是別人，是自己，戰(zhàn)勝自己往往比戰(zhàn)勝別人更重要。

中國人講究“傳承”，介萬奇說，他這一生很幸運能在西工大遇到很多大師級的學(xué)者，他們在略顯浮躁的現(xiàn)實環(huán)境中卻能專注平凡地做著自己的科研。這對他的影響非常之大。介萬奇認(rèn)為，一所大學(xué)真正能流傳后世的東西，不是有多少座大樓，多少張獎狀，而應(yīng)該是一種強(qiáng)大的學(xué)術(shù)力量和對于國家發(fā)展所作出的貢獻(xiàn)程度。他希望自己也能夠把這種精神傳承給團(tuán)隊里的年輕人，使他們青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。一代又一代的“鑄夢人”接續(xù)奮斗，能夠走上國際舞臺發(fā)光發(fā)熱，為中華民族的偉大復(fù)興夢想添磚加瓦，集聚更大力量。