格物致知　求索奉献

有多少人能够意识到，当今的物质文明和舒适的生活是依赖于材料冶金学家的辛勤工作，依赖于他们研究生产适合各种特殊需要的冶金材料的能力呢？

从大的方面来说，当今的物质文明取决于对动力的有效利用，而动力的控制则要靠使用金属和合金来实现。没有金属，天上就不会有飞机、火箭、卫星和宇宙飞船；没有金属，地面就不会有铁路、火车、汽车和跨度长达一两千米的大型吊桥；没有金属，海中就不会有轮船、军舰、潜艇和航空母舰。这些天上飞的、地面跑的和海中行的，其构件的95％以上都是用金属材料制成的。唯其如此，人类才真正实现了“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”的千年梦想！

从小的方面来说，清晨，我们被闹钟的铃声唤醒，而闹钟的部件多为金属；按一下开关，电流便通过铜导线或铝导线点亮了灯泡，以便我们起床穿衣；当我们等待着用不锈钢压制的高压锅做的早餐时，我们首先得用从铜管、铅管或不锈钢管中流出的自来水刷牙、洗脸；早饭后，我们骑着“浑身是铁”的自行车去上班，或者付一枚用铜镍合金铸造的5毛或1元钱硬币乘公共汽车去上班。这还只是一天的开始。而在一天中，无论是工人开动机器制造工业品，还是农民驾驶拖拉机耕田、跑运输，抑或是科学工作者操作电脑、计算机进行科学研究，人们每天都要接触和使用到数百件金属制品。

金属早已应用到生产和生活的各个领域。可以说，没有金属，就没有人类文明！

金属与人类文明的发展密不可分，显得如此重要，那么，人们一定想了解在材料冶金科学前沿工作的科学家，以及他们所从事的尖端冶金材料的科学研究。近日，记者走访了被美国传记研究院提名并获世界终身成就奖的国际高校科学院院士、俄罗斯宇航科学院外籍院士、中国工程院院士、国际著名材料冶金学家傅恒志教授。

解放初期中国铸造业的水平，相对国际先进水平而言，还是比较落后的。为了迅速提高我国铸造业的水平，1958年，傅恒志作为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声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。但在世界上，此种合金都以高含量的铝、钛作为主要强化元素，必须在真空下熔铸，否则极易氧化。而在60年代初，国内这样的真空冶炼设备极少。针对这一实际情况，傅恒志想：能不能搞出一种既不含铝、钛，又不需真空熔炼，而其性能又与含铝、钛的镍基高温合金相当的高温合金呢？如果有了这种高温合金，不就解决了国内对这一高温材料的急迫需求吗？这可是一个破天荒的大胆设想！

傅恒志小心翼翼地把这一设想告诉了自己的导师聂亨齐，没想到不但得到了导师的首肯，而且还得到了导师的大加赞赏：“敢想前人之未想，敢做前人之未做，具有创新思维。好！”

所谓高温合金，是指工作温度能适应700℃以上的一些合金，其中就包括镍基高温合金。今天人们知道，镍基高温合金是加入铝、钛、铬、钨、钼、钽、铌、钒、锆、硼等元素及适量的稀土元素，制成适应于在700～900℃范围工作的一种高温合金。可是在当时世界上，镍基高温合金通常是利用钛、铝在镍基奥氏体中形成细小而呈弥散状的金属间化合物γ相，即利用Ni3（Al、Ti、Nb、Ta）作强化基体。

不用铝、钛这一镍基合金中最重要的合金元素来强化未知的高温合金的基体，那么用什么元素来强化它的基体呢？而且，无论选用什么元素来强化它的基体，都必须做到在非真空熔炼下不易氧化和腐蚀，并能真正提高这一未知高温合金的强度。在导师的支持下，傅恒志进行了艰难的探索。他先后设计了60余种合金方案，每一种方案的性能测试都要在800℃的高温下持续做6000小时的实验。为了实验，他常常废寝忘食，通宵不眠。经过两年多时间的不懈努力和反复筛选，在对镍铬钼钨铌合金系列进行系统研究的基础上，终于研制出了“无铝、钛的镍铬基”这一新型高温合金系列。在研究中，傅恒志通过无数次的实验，还总结出了以难熔金属强化基体，以新有序化合物沉淀强化及以硼铈改善晶界状态的复合强化规律及合金成分与铸造性能的内在关系。

傅恒志把这些研究成果写在论文《镍铬基铸造高温合金组织和性能的研究》里，可是在论文尚未答辩、合金尚未最后定型的情况下，他研制的镍铬基新型高温合金就被用在苏联航空发动机的导向叶片上。为什么苏联航空专家特别喜欢这种新型合金呢？因为该类合金虽然不含铝、钛，不需真空熔炼，但却达到了当时世界上含铝、钛的镍基高温合金的优良性能，即不但具有较好的力学性能，而且具有优异的铸造性能。这在当时被认为是填补了国际高温合金研究领域的一项空白，当之无愧地居于国际领先水平，受到了国内外专家的高度赞誉。也正因为如此，他的这项研究成果获得了苏联科学技术发明专利。1962年，他从列宁格勒工学院物理冶金系研究生毕业时，又因此而获得苏联科学技术副博士学位。

傅恒志教授在不含铝、钛的高温合金的研究上所取得的成功，对他是一个极大的鼓舞。但他深知在高温合金领域仍有无穷的奥秘，需要他孜孜地去不断探索，以求探骊得珠，再攀高峰。因此，1962年从苏联学成归国后，他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。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。可以说，高温合金完全是受航空涡轮发动机发展的催动，是为适应航空涡轮发动机的设计研制而出现的。由于涡轮工作叶片和导向叶片是发动机的最关键部件之一，所以为了提高发动机的效率，必须不断提高涡轮燃气进口的温度。这就要求高温合金必须具有四个方面的特性：一是良好的高温抗氧化性能和燃气腐蚀能力；二是足够高的热强性能和综合力学性能；三是高温长时间工作条件下的组织稳定性；四是良好的工艺性能，如铸造性能、热加工性能和切削加工性能等。

根据高温合金的性能要求，结合航空事业的不断发展，傅恒志教授始终站在冶金材料科学研究的最前沿。他针对新型发动机发展的需要，开展了对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面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及性能，为我国叶片的定向凝固和单晶技术的发展提供了关键技术基础。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和组织超细化的新构思，成功地获得定向超细柱晶组织。在镍基和钴基合金中，所得到的结晶组织较HRS定向凝固这一通用方法细化4～10倍，高温持久性能超出同类合金1～2倍。他领导研制的超高梯度定向凝固装置，其温度梯度超过当今世界最高水平3倍多，达1300K／cm，而在这方面最发达的美国才达到80～100K／cm。由于在高梯度晶体生长和超高梯度定向凝固装置的研究上达到了国际领先水平，所以这两项技术分获航空航天部一、二等奖和国家科技进步及国家发明二、四等奖。

仪器仪表工业的发展对磁性材料提出了新的要求，用传统粉末冶金方法制出的稀土永磁材料性能极脆，很容易破损，无法制作出很薄或形状复杂的永磁体。为了解决这一问题，傅恒志教授以凝固理论、磁学理论和复合材料理论为指导，提出了引入塑性相的新构思和运用控制凝固过程的新手段，经过几年的努力，建立了第二代（钐—钴）和第三代（钕铁硼）永磁体的铸造组织、成分、凝固特性、晶体取向和磁性能的关系，发明了可加工的稀土钴永磁材料。这种材料可以车削，可以变形，也可以切削成仅0．2毫米厚的超薄磁片，从而突破了钐钴合金完全脆性、不可能加工的禁界；而且所获磁能积居当时国际同类材料的领先水平。这项成果被专家们认为是“国内首创，并居世界领先水平”，因而通过了由航空工业部和机械工业部组成的联合鉴定组的鉴定，已成功地应用于某国产卫星的隔离器上，并获得了航空航天部科技进步一等奖及国家发明三等奖，其10余篇研究论文发表于《J·AppI·Phys》等国际著名刊物上。

九十年代，针对航天工业的需要，傅恒志教授又领导开展了对超细石英纤维加工机制和析晶性的研究，所研制的高纯超细石英纤维，被国家高技术新材料鉴定组确认为：“其性能已相当于美国同类产品水平，填补了国内空白。”如今，高纯超细石英纤维已用于航天防热陶瓷瓦，其理论成果获1994年国家教委科技进步奖。

傅恒志教授对高温合金的系统和深入的研究，为我国铸造高温合金的发展做出了突出贡献，在材料冶金科学的研究上攀上了一个又一个高峰。但他并不感到满足。他饶有兴致的告诉记者：“将各种金属熔化、熔合，凝固成形状不同、组织千变万化、性能各异的合金，像变魔术一样，乐趣无穷。这个领域还有许多未知数需要去探求，因此，只有不断开拓创新，才能探赜索隐，钩深致远。”

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。在指导思想上，他们围绕航空工业发展的需要，但不受局限，结合生产，重视应用，同时注重探索基本规律。他们力图体现国防科研经仿制走向自力更生、发明创新的方针，强调“跟踪是必要的，但目的在于超越，因为小的创新胜过大的模仿。”那么，在凝固理论与技术的研究上，傅恒志教授都取得了哪些跨越性的成果呢？

针对航空发动机的涡轮工作叶片和导向叶片在制作上对定向凝固技术的依赖，傅恒志教授于70年代后期率先在国内建立了用于合金凝固过程研究和合金单向生长的定向凝固实验室，研制成功多台性能达到或超过同类国际水平的实验设备，开辟了国际上仅有的在宽变温梯和宽变冷速条件下（10－3～103K／S）合金单向凝固过程的实验研究。这些设备的研制成功和凝固实验室的建立，在国内影响很大，是获得多项国家及部委级奖的基础。

接着，傅恒志教授在国际上又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，相继在镍基、钴基和铝基合金中进行了考证和发展，并发现实际溶质分配系数是溶体状态和凝固参数的函数。研究成果发表后分别被美国IAA、STAR和SCI、EI等摘要转载，并得到美国的Cahn和瑞士的Kurz这两位著名学者的高度评价。此后，他将这一研究成果拓展至亚快速凝固领域，在国际上首次提出定向组织超细化的概念，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其与凝固参数的相应关系，以及描述这些转变的数理模型。近年，他与他的学生又在严格的单向热流条件下获得了凝固理论预测的在极高生产速率下出现的绝对稳定平界面组织和非线性振荡结构。这种组织结构国际上虽有人在激光快凝条件下发现过，但在单向热流条件下，由于实验条件限制，还从未有过获得这种结构的报道。

傅恒志教授还主持创建了超细晶形成及其生长机制与近绝对稳定亚快速定向凝固的理论框架，对近平衡与极端不平衡之间的亚快速单凝固区域（100～103K／S）进行了填补性研究。专家们高兴地指出，傅恒志教授提出的定向组织超细化理论的推广应用，将在广泛的合金领域大幅度提高合金的力学性能。据不完全统计，仅在该领域傅恒志教授领导的课题组在国内外刊物上发表的论文已在百篇以上。

碳化物是镍基合金中的主要组成项之一，对镍基合金的性能有重要影响；而对它的形成与形态则有各种不同的描述和解释。这究竟是怎么一种情况呢？对此，傅恒志教授和他的学生对合金碳化物相的形成与生长规律进行了系统地研究。通过实验与键能计算，提出并证实了形态不同的初生碳化物相，源自以八面体为基元的MC核心及其生长的微观机制，并从熔体结构及环境条件首次全面地揭示了多相异质溶体的凝固特征及在各种界面形态下，合金相及界面形态对力学性能和断裂机制的影响。研究成果两次获得国家教委科技进步奖。

九十年代中期以来，傅恒志教授承担了“单晶与定向叶片组织超细化与自约束成形综合技术”的课题研究。这一课题研究试图解决材料冶金技术上的两个重大难题：一是如何提高单晶及定向凝固技术装置的温度梯度；二是如何消除液态合金在成形过程中的污染。

定向凝固及单晶技术可使铸件凝固组织按特定方向排列，获得定向及单晶组织结构，大大改善力学性能。为此，国外在航空材料及工艺领域，正在大力发展新型单晶高温合金、自生复合共晶合金和以金属间化合物为基的复合材料及其相应的新型制备工艺。这是材料冶金技术发展的一个大趋势。然而，当前使用的单晶及定向凝固技术与装置所达到的温度梯度较低，如当前世界上最好水平的德国Leybold公司生产的定向凝固设备，温度梯度约在100K／cm左右。为保证定向生长，必须限定相当低的抽拉速率（约在0．5～15mm／min之间），从而导致很低的冷却速率（比精铸单壳叶片慢2～3倍，约为0．1～2K／S）。这样，就会导致材料内部出现定向组织粗大、偏析严重和大量横向亚枝晶产生的情况，严重限制了材料性能潜力的进一步发挥。

针对上述情况，傅恒志教授自80年代中期以来致力于对高温合金定向凝固技术的研究，探索了提高定向凝固过程的温度梯度的途径，推出了超高梯度ZMLMC定向凝固方法，在实验室实现了高达1000K／cm以上的温度梯度，比德国Leybold公司生产的定向凝固设备的温度梯度整整高出10倍左右，达到了当今世界领先水平。采用这项技术制备出的各类材料，其枝晶间距仅几微米到十几微米。组织的超细化赋予了材料优异的性能，促使了枝晶侧向分枝的消退、偏析程度的大幅度减小以及强化相分布及形态的改善，进一步挖掘出了材料性能的潜力。这些研究成果得到了包括我国材料界权威、中国工程院副院长师昌绪院士及世界著名材料专家W．Kurz教授在内的国内外专家们的一致肯定和高度重视。经有关部门检询，目前世界上尚无第二家开展与ZMLMC超高梯度定向凝固技术相关或类似的研究。这项成果因而获得了航空航天部科技进步一等奖及国家科技进步二等奖（国防类）。

傅恒志教授的不同凡响之处就在于：他把超高梯度ZMLMC定向凝固方法与电磁自约束成形技术相结合，构成一种超高梯度电磁自约束成形，并具有超高冷却能力的新型定向及单晶技术，以获得无（少）偏析、组织超细化、高精确取向的高温合金或以金属间化合物为基的复合材料，从而满足跨世纪更新一代的高推重比、长寿命、工作温度大于1200℃的航空发动机对涡轮叶片和导向叶片的要求。研究成果可迅速工程化并直接用于高性能航空发动机涡轮叶片、导向叶片的研制和生产。

液态合金在成形过程中的污染，是长期困扰冶金材料技术发展的一个大难题。特别是那些化学性比较活泼的金属和某些高熔点金属，在熔炼和凝固成形过程中与炉衬、坩埚、铸型接触后极易产生反应，导致在材料中产生各种杂质，影响了材料的性能。随着高科技对冶金材料要求的日益提高，污染的影响越发显得突出。迄今为止，定向及单晶叶片的成形是利用熔模精铸型壳使合金凝固成形的。粗厚、导热性能差的陶瓷模壳，不但严重降低了合金熔体中的温度梯度和凝固速度，而且还给合金熔体中带来了严重污染。傅恒志教授在研究中发现，他建立的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，他反复考虑，唯一比较彻底的出路就是完全甩掉坩埚、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。基于这个思路，近年来他开展了电磁自约束成形定向凝固技术的研究工作，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。

具体来说，所谓电磁自约束成形技术，就是利用电磁场作用于铸件熔体的电磁力来实现对熔体形状的约束，从而获得特定形状铸件的技术。国外利用电磁力实现了超净材料的悬浮熔炼、冷坩埚熔炼、浮区晶体生长与电磁铸造等，但却存在严重的不足，即：不能成形复杂形状构件；材料的组织比较粗大；对凝固过程与晶向控制也不能实现。这也是国外还不能大规模地将电磁自约束成形技术应用于先进合金铸件及铸锭的连续铸造的原因所在。

针对国外存在的这些不足之处，傅恒志教授在他1990年成功地研制出超高梯度定向装置、1992年成功地研制出熔体电磁悬浮装置的基础上，提出了将超高梯度定向凝固技术与电磁悬浮熔炼技术相结合的超高梯度电磁自约束定向凝固成形技术，用来实现制造超细组织涡轮叶片的设想。他匠心独运，这一点又比外国人高明！

1994年，航空工业总公司组织了对“超高梯度电磁自约束定向技术和超细单晶及定向涡轮叶片研究”项目的立项论证会。由院士和专家组成的专家组对项目进行了鉴定，认为此项技术“构思新颖，立论正确，技术上有独到之处，成功后将带来可观的技术经济效益”。

该项目从立项至今，傅恒志教授带领课题组因陋就简，进行了一系列的探索性试验与研究，初步实现了无坩埚、无铸型的合金熔炼与定向凝固成形。他们研究了感应器内三维空间磁感应强度的分布、感应器优化设计的途径，以及在高频电磁场作用下金属熔体形状的静、动态稳定性；他们还对自约束成形工艺及所得试样组织进行了分析，并在此基础上提出了电磁自约束成形的总体方案，制定了自约束成形的计算机仿真及数值计算方案。

他们所进行的一系列探索性试验与研究表明，利用超高梯度ZMLMC定向凝固技术并引入电磁自约束成形技术就完全有可能获得设定形状的超细柱晶的铸件（叶片），从而实现具有特定三维形状的涡轮叶片的定向凝固组织的超细化。这样，定向凝固技术超高梯度电磁自约束成形，将可能成为更新一代涡轮叶片的制备技术，并使叶片的高温综合性能有一个大幅度的提高。

1999年，瑞士洛桑工业大学Kurz（库尔兹）教授在参观了西工大的电磁场约束成形定向凝固实验室后说：“这项技术（指电磁自约束定向凝固成形）的成功将是世界级的贡献！”他一再称赞这是一个崭新的技术思路。在1999年国际先进材料科学会议上，当有人问到对高熔点活泼合金如何既能避免污染又能得到高纯净的材料、既能获得高度细化的组织又能严格控制凝固过程时，Kurz教授回答说：“西工大电磁自约束定向凝固成形技术将有可能解决这些问题。”

如今，傅恒志教授创建的超高梯度电磁自约束定向凝固成形技术，通过不断地试验与研究，已取得较大的进展，得到了初步的结果，即：已可以使液态金属在无接触情况下初步成形为多种不规则形状。这项技术如能最后取得成功，将实现材料无接触、无污染、直接凝固成形的设想。专家们一致认为，这将会是材料成形的一项崭新的具有革命意义的跨越！

但傅恒志教授深刻认识到，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。最近，中央有关部门组织专家组对此项课题进行了中期评估，充分肯定了傅恒志教授取得的成绩及课题技术上的创新意义。傅恒志教授不断提醒他的学生们：在这个重大课题面前，他们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。

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’！尽管我们在这个课题上已经取得了不少进展，但无论在理论上还是在实际应用上，都还有很长、很艰难的路程要走。因此，我们决不辜负国家和人民的殷切期望，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！”

傅恒志院士献身科教事业硕果累累，业绩辉煌。他先后获国家科技进步及发明奖4项，获部、省级特等及一等奖4项；发表论文300多篇，其中上百篇被载入《SCI、EI》、《美国化学文摘》、《国际宇航文摘》、《应用物理学报》等国际文摘和著名刊物。他多次应邀参加国际学术会议及到国外讲学：先后在美国里海大学、美国国家标准局、德国柏林工业大学、德国亚琛工业大学等院校和研究所做学术报告；他还多次赴前苏联及俄罗斯、乌克兰的一些著名大学和研究机构访问讲学。在圣彼得堡国立技术大学及莫斯科航空材料研究院，他的“关于晶体定向生长及单晶高温合金问题”的讲学受到高度评价。圣彼得堡技术大学教授、苏联功勋科学家、科学院院士哈洛沙伊洛夫认为，傅恒志教授关于“定向凝固溶质再分配”的讲学，是“合金相变理论中的一个突破”。

他在科学研究上所取得的卓越成就，使他在第五届国际大学联合会上被推荐为理事会成员；1992年被俄罗斯国立圣彼得堡技术大学授予名誉博士称号，同年由美国传记研究院提名并获世界终身成就奖；1993年成为我国首批入选由世界著名科学家、教育家组成的国际高校科学院院士；1995年初被选为俄罗斯宇航科学院外籍院士，5月间又荣幸地成为中国工程院院士。

冬日和煦灿烂的阳光透过玻璃窗，洒落在写字台上，也洒落在傅院士的满头银发上。他的每一根银发都书写着一个成功的故事，书写着他在科学研究上所取得的辉煌业绩，怎能不令人击节叹赏，钦佩不已！可是，傅院士却非常谦虚地说：“我是一位科学家，但更是一位共产党员，所取得的这些成绩是党多年培养教育的结果。我深知这与党和人民的要求还有较大的差距，所以屈原的诗句‘路漫漫其修远兮，吾将上下而求索’常常回响在我的耳畔，激励我不断进取，以期为国家和人民做出更多的贡献。”

傅院士风度儒雅，气宇轩昂，心如大海，深情无限。临别，他的一席话更让记者感慨万端，肃然起敬。他说：“科学技术浩如烟海，新鲜事物层出不穷。格物致知，求索创新，不断攀登科学的高峰，这虽然是艰苦的事业，要求刻苦认真，坚韧不拔，全身心的投入和永不停息的探索，但其中也自有无穷的乐趣和引人入胜、令人神往之处。埋首科学研究，不觉老之已至。但还有那么多吸引人的科学奥秘需要去探索，还有那么多工作需要去做。所以，我常常用‘老马已觉黄昏至，不待扬鞭自奋蹄’这句话来自勉；况正值当前大好时机，党中央‘科教兴国’的战略方针深入人心，更当有所作为。来日虽已不多，但愿将此生全部奉献给祖国的科教事业，为祖国在新世纪的富强和发展做出自己应有的贡献！”