鑄夢人
——記西北工業大學材料學院介萬奇教授及其團隊

蔡 萌

鑄造，是一切工業之基礎，如果沒有鑄造行業的支撐，各種工業生產生活必備用具，以及國防軍工武器產品均無法誕生。一個國家的工業要振興，離不開先進的制造技術，而鑄造無疑應該排在先進制造技術的前端。所以，鑄造技術水平的高低已經成為衡量一個國家制造業水平高低的重要標志，同樣也是一個國家經濟發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，中國鑄造產業也一直是國民經濟中重要的、基礎性的、不可替代的產業。雖然是一門古老的行業，但鑄造也在時代發展中不斷創新，新工藝、新材料、新設備以及如何高效使用設備都是一次次的創新過程。

西北工業大學（以下簡稱“西工大”），作為我國唯一以“航空、航天、航海”三航為特色的國防學科高等學府，長期以來推動著鑄造現代化的前進步伐，并穩定保持在國內頂級水平。在周堯和、傅恒志和張立同3位院士的主持開拓下，在西工大鑄造專業國家重點學科基礎上建立起來的凝固技術實驗室，經過20余年的風雨兼程，已經發展成為由材料科學與工程國家A類一級重點學科支撐的國家重點實驗室。

介萬奇（前排左二）與學生一起討論問題

凝固技術國家重點實驗室（以下簡稱“實驗室”）自建成以來，將過去傳統的鑄造專業帶入到了一個更為廣泛、更為通用的領域。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中，興國興邦，用科研雄心鑄造中華民族偉大復興的中國夢。

在西工大任教工作了30余年的介萬奇教授于20世紀90年代實驗室成立初期，曾經擔任過一年的常務副主任，是實驗室重要的骨干成員和藍圖繪制者，后來又在西工大材料學院成立之時做了6年的院長。卸任之后，他專心耕耘在科研與教學第一線，成為我國凝固技術領域的學術帶頭人之一，面向國際科技前沿、學科發展以及國家重大戰略需求，凝練發展目標和研究方向，開展了大量原創性、系統性的科學研究，打造出一支高水平的研究團隊，培養和匯聚了一批高層次的學科領軍人才，帶領著這些“鑄夢人”在探索材料科學的道路上，砥礪前行，勇攀高峰，攻克了一個又一個技術難關。

打破“卡脖子”局面

凝固是物質從液相轉變為固相的過程，水結冰、金屬鑄造、焊接、半導體晶體的熔體生長過程等自然界和工業過程中普遍發生的現象都屬于凝固過程。凝固理論研究不僅提供對凝固過程的科學認識和深刻理解，還是發展先進凝固技術和先進材料的基礎。

介萬奇介紹說，自“十一五”以來，我國航空航天、汽車、高鐵等高新技術產業進入高速發展時期，多種重大型號陸續進入設計定型階段，大型復雜高質量鋁合金構件的成型方法成為決定產品設計方案和性能的重要影響因素，而鑄造是獲得大型復雜鋁合金構件短流程、低成本、整體成型的最佳方法，但傳統鑄造技術存在成型精度低、鑄件質量差等問題，成為制約大型復雜鋁合金鑄件在高端裝備中應用的瓶頸，亟須開發一種大型高質量鋁合金構件的鑄造新技術。

大型高質量鋁合金構件的鑄造是軍民兩用重大裝備實現整體化、輕量化、精密化制造的關鍵技術。隨著國防高技術武器裝備的跨代發展，對于超高溫熱結構材料、先進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、強度更高、功能更強等。

“比如渦扇發動機燃油系統殼體、新型重卡變速系統殼體等，不僅形狀復雜，尺寸精度高，而且力學性能和致密度要求苛刻，傳統工藝難以實現。飛機艙門等部件采用機械加工20多個零件，再用數百個連接件組裝成整體結構，而復雜結構的整體精鑄，不僅能縮短工藝流程、降低成本，而且可提高結構的整體性能。”說到這的時候，介萬奇話鋒一轉，“但是，鑄件的質量控制成了難點和痛點！”

據介萬奇回憶，21世紀初期國內有好多航空航天大型鋁合金鑄件存在著冶金質量的問題，鑄件性能達不到要求。主要是由于鑄造過程中鑄件過大，凝固過程非常復雜，會產生各種各樣的缺陷。“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去，那個地方已經凝固了。不協調的話就會不均勻，就會出現各種各樣的缺陷。”介萬奇解釋道，“只有把這些缺陷解決了，鑄件的性能才能達到使用要求。當時國內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年的時間進行凝固原理研究和鑄造技術創新，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，還是工藝技術裝備上，都是一個獨創的結果。

團隊在介萬奇的帶領下，開發出大型高質量鋁合金構件控壓成型鑄造新技術，解決了大型鋁合金構件整體成型和組織性能調控難題，研制出當時國際上史無前例的輪廓尺寸達3000mm的高性能復雜鋁合金精鑄件；創建了大型高質量鋁合金構件冶金質量控制新工藝，實現了高致密、高性能鑄件成型，突破了鑄件力學性能必須打折60%～70%使用的傳統觀念；提出了大型復雜薄壁構件尺寸精度綜合控制技術，解決了大型復雜鑄件尺寸精度控制難題，實現了3000mm以上鑄件尺寸精度優于CT7級；自主研發出大型控壓成型鑄造裝備，解決了大尺寸、大噸位異形構件的成型工藝難題，填補了我國大型控壓成型鑄造裝備技術空白。

這一成果不僅擺脫了國外技術的制約與束縛，并且整體達到了國際先進水平，保障了國家重大型號的研發與批產，在我國各型先進戰機、航空發動機、超高速導彈、空間站、衛星、核電、燃機等大量型號任務中發揮了關鍵作用，并且應用于高鐵、汽車關鍵鑄件的生產中，提升了國有企業的核心競爭力，產生了巨大社會和經濟效益，介萬奇團隊也憑此成果獲得了2020年度國家科學技術進步獎二等獎的榮譽。

新材料的誕生

輻射已經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。在醫院進行CT檢查，通過機場、火車站和地鐵站的安檢儀，甚至使用不達標的大理石建材等，都會受到放射性物質的影響。

如何監控日常生活中的輻射量呢？科學家告訴我們，X射線和伽馬射線探測器是核科學技術、公共安全監測、核醫學成像、工業無損檢測、空間天文觀測等領域的核心器件。當年，基于射線探測器的儀器設備有上百種，每年有數百億美元的市場。但是市場上流行的同類產品卻一直飽受傳統材料純度低、反應慢和靈敏度低等技術缺陷的困擾。

在2004年前后，國際上突然關注到一種叫碲鋅鎘（CZT）的材料，由于它對輻射監測的靈敏度和準確度遠遠高于傳統材料，被認為是做X射線、伽馬射線探測的最優選擇。碲鋅鎘探測器成為可在非制冷條件下工作的國際公認的新一代高能射線半導體輻射探測器。然而，探測器級CZT晶體對物理性能具有非常苛刻的要求，由于其在生長溫度下的熱導率低、堆垛層錯能低、強度低，容易形成陽離子空位、位錯、Te沉淀相等結構缺陷，使得晶體電學性能難以達到使用要求。解決以上問題需要將成分設計和制備技術相結合，是探測器級的CZT晶體材料研制的難點。所以，盡管國內外做這個材料研究的學者和團隊眾多，最后真正能做到實現應用的也只有美國、加拿大、以色列三國。

早在1993年，鑒于國內在輻射監測檢測材料研究領域的短板，介萬奇團隊就已經開始了Ⅱ-Ⅵ族化合物光電子材料晶體生長技術、性能表征及應用技術的研究。他們決定將金屬凝固的技術應用到電子材料，“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性能，而如果半導體的話，還要考慮它的電學性能”。在介萬奇看來，材料科學不僅要解決重要理論問題，更要注重實際應用，只有將理論與技術進行有機的結合才能取得突破。

通過十余年的探索攻關，介萬奇團隊發明了在常壓布里奇曼法中引入成分補償與摻雜和對流控制的新技術，以及可控氣氛退火等30余項專利技術，在我國首次解決了晶體材料的成分設計和優化、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難題，開發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和關鍵設備，一舉打破了國外壟斷與封鎖。

介萬奇團隊所開發的CZT晶體經英國盧瑟福國家實驗室、中核北京核儀器廠等國內外多家權威機構測定一致表明其性能優異，達到了國際先進水平。與此同時，與當年國際最先進的傳統工藝技術相比，依托該技術生成的晶體材料成品率提高了3至5倍，生產效率提高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”獲得了國家技術發明獎二等獎的榮譽。

以該項技術成果轉化研發的空間伽馬射線和粒子計數儀主要應用于空間生物技術領域的科學實驗，并在當年成功搭載我國首顆微重力衛星“實踐十號”一舉飛上太空，主要負責對衛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和載人航天等領域的研究有著重大的意義。團隊研發的空間伽馬射線和粒子計數儀可以精確地測量出在當前環境下生物體受到宇宙射線的輻射量。測量結果與生物體基因變化程度形成了對應，可以為空間生命科學的研究提供科學、客觀的數據分析。

此外，團隊開發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研究所成功應用，為我國的核科學實驗和核安全監控提供了有力支撐。開發的線陣和面陣CZT探測模塊，解決了骨密度儀、醫用CT等高端醫療設備和工業無損探傷設備對核心探測器的需求，尤其是在在醫學CT、X光等人體醫學檢測領域的應用中，介萬奇團隊研究的設備在達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。研究成果還廣泛應用于環境污染檢測、工業CT、機場火車站安檢，甚至包括我們網購過程中所有郵寄包裹的“透視”檢測……為我國在上述領域同時實現國產化替代進口以及第三代技術替代第二代技術的跨越奠定了基礎，使我國成為世界僅有幾個的掌握該項核心新材料技術的國家之一，大大提升了我國核輻射探測儀器研發領域的國際話語權。

“有志氣、講團結、肯拼搏”

“有志氣、講團結、肯拼搏”，這是當年介萬奇的恩師周堯和院士對于團隊和學生的要求。薪火相傳，這也成為西工大凝固技術國家重點實驗室和介萬奇研究團隊20余年“傳幫帶”繼承下來的優良傳統。

介萬奇常說，鑄造是一個團隊合作的行業，哪個環節出了問題，都會讓所有人的努力前功盡棄。“我作為總體負責和綜合設計者，雖然很多原理是我提出來的，但是真正把一個設計的原理圖形成技術，變成裝備，要涉及機械、電子、控制、生產等好多領域，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調的合作過程中完成的。”介萬奇舉了一個鑄造行業里最常見的例子，“做一個鑄件的時候，有負責造型的，有負責冶煉的，有負責澆筑過程控制的，各自解決的問題是一個整體不同的側面，比如尺寸精度、致密度、力學性能等，但這些都是在同一個過程中發生的。這些環節要是配合得不好，中間可能就會出現漏洞，工藝過程就會出現差錯，最后就只能是一堆廢品！”

另外，在介萬奇看來，科學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工藝當中去，要真正在生產線上實現，那便又需要產學研一系列的配合。高校的大量研究成果，如何走出象牙塔，破繭成蝶，將高精尖的技術轉變為市場認可的產品，這是長久以來眾多高校科研成果轉化的難題，也一直是介萬奇團隊不斷探索的前進方向。

“頂天立地”——這是介萬奇為團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化，將技術轉化為生產力。以介萬奇團隊研發的新型輻射材料與器件技術為基礎，在西北工業大學科研成果轉化相關政策的支持下，他們組建了國內唯一的探測器級CZT晶體生產企業——陜西迪泰克新材料有限公司，填補了我國在該領域的多項空白，打破了國外公司技術和產品的壟斷，提升了國產核與輻射儀器的核心競爭力。

“研發新材料，在實驗室里頭做，和在企業里做太不一樣了！”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，測一測數據就可以發文章了。但是在企業里，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。還要考慮到工業設計。這些都是我們在組建企業之后所面臨的問題，好在經過努力，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品。”正是這種攻堅克難、精益求精的精神，使得介萬奇團隊在產業化落地的時候，得到了業內極高的認同度。

“真正要把一項技術、一個材料，從實驗室結果最后成功做成一個成熟的產品，這里面要經歷千辛萬苦，過程實在是太復雜了，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隊的產學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。”成功的經驗都是在失敗中得來，對于前沿科學技術的認知和掌握需要科研人員反復鉆研，重復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志。介萬奇團隊也正是時刻如此勉勵自己，無論是科研本身還是企業的發展，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，才會在經歷風雨之后，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隊成員，在他的團隊里，有跟隨他一路前行十多年的“老戰友”，也有意氣風發的海歸學者，更多的是對未來充滿了期望的年輕一代。在介萬奇的眼中，他的學生都是非常優秀的，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，戰勝自己往往比戰勝別人更重要。

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者，他們在略顯浮躁的現實環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。介萬奇認為，一所大學真正能流傳后世的東西，不是有多少座大樓，多少張獎狀，而應該是一種強大的學術力量和對于國家發展所作出的貢獻程度。他希望自己也能夠把這種精神傳承給團隊里的年輕人，使他們青出于藍而勝于藍。一代又一代的“鑄夢人”接續奮斗，能夠走上國際舞臺發光發熱，為中華民族的偉大復興夢想添磚加瓦，集聚更大力量。