葱花拌饭
张军教授在凝固技术国家重点实验室任职期间，如何推动高梯度定向凝固技术与电磁约束成形技术的创新突破？ 张军教授在凝固技术国家重点实验室任职期间，如何推动高梯度定向凝固技术与电磁约束成形技术的创新突破？这两个关键技术领域究竟通过哪些具体路径实现从理论到工程应用的跨越？
张军教授在凝固技术国家重点实验室任职期间，聚焦航空航天、能源装备等领域对高性能金属材料制备的迫切需求，带领团队深耕高梯度定向凝固技术与电磁约束成形技术的创新突破。这两项技术分别解决材料组织性能精准调控和复杂构件精密成型的核心难题，其突破不仅推动了我国高端制造领域的技术升级，更填补了多项国际技术空白。
一、高梯度定向凝固技术：从“控温精度”到“组织调控”的跨越
传统定向凝固技术受限于加热/冷却系统响应速度，难以实现高温合金、单晶叶片等关键材料所需的超高温度梯度（通常需＞100K/cm）。张军教授团队首先从热场精准控制切入，通过改造传统炉体结构，设计出多区独立控温的复合加热模块——将原本整体式加热炉拆分为上、中、下三段独立温区，每段配备高灵敏度热电偶与快速响应执行器，配合动态PID算法实时调节功率，最终将温度梯度稳定提升至150-200K/cm，达到国际领先水平。
更关键的是对凝固界面形态的主动调控。团队发现，传统工艺中液固界面常因热应力波动产生凹凸不平，导致材料内部出现杂晶或成分偏析。为此，他们创新性引入“梯度冷却补偿”机制：在试样下方增设可编程脉冲冷却单元，根据实时监测的界面位置动态调整冷却强度，使界面始终保持平直稳定的平面生长状态。这一改进显著减少了缺陷密度，制备出的镍基单晶叶片高温持久寿命提升30%以上，已应用于某型号航空发动机高压涡轮部件。
| 技术指标 | 传统工艺 | 张军团队改进后 | 提升幅度 | |------------------|----------------|----------------|----------| | 温度梯度（K/cm） | 80-120 | 150-200 | +50%+ | | 杂晶缺陷率 | 15%-20% | ＜5% | -75% | | 单晶叶片寿命 | 基准值100% | 130%-150% | +30%-50% |
二、电磁约束成形技术：从“重力依赖”到“场控成型”的突破
传统金属铸造依赖重力作用，复杂薄壁构件（如燃气轮机导向叶片、航天用微型涡轮）易因液态金属流动不稳定出现缩松、气孔等问题，且难以实现异形结构的精准成型。张军教授团队另辟蹊径，抓住“电磁力可无接触精准调控金属液流动”的物理特性，开发出多模式电磁约束成形系统。
该系统的核心在于“磁场-流场耦合控制”。团队通过理论推导与大量实验验证，确定了不同合金液（如钛合金、高温合金）在凝固过程中的流变特性参数，进而设计出动态可调的交变磁场发生装置——既能产生轴向约束力防止金属液下塌，又能通过周向旋转磁场促进成分均匀混合。例如，在制备某型号航空发动机钛合金中介机匣时，传统重力铸造的缩松缺陷率达25%，而采用电磁约束成形后，缺陷率降至3%以下，尺寸精度控制在±0.15mm以内，完全满足设计要求。
团队还攻克了大尺寸构件成形稳定性难题。针对直径超过500mm的复杂构件，通过增加磁场发生器的冗余单元与分布式传感器网络，实时监测金属液表面波动与内部温度分布，联动调整磁场参数，确保整个成形过程可控。这项技术突破使得我国成为继美国之后第二个掌握大尺寸钛合金电磁约束成形技术的国家。
| 应用场景 | 传统铸造缺陷率 | 电磁约束成形缺陷率 | 关键改进点 | |------------------|----------------|--------------------|--------------------------| | 航空钛合金机匣 | 25%-30% | ＜3% | 磁场约束防塌陷+成分均匀化 | | 航天微型涡轮 | 18%-22% | ＜5% | 动态流场调控+精准成型 | | 燃气轮机叶片 | 15%-18% | ＜4% | 多模式磁场协同控制 |
三、技术协同与工程转化：从实验室到产业化的“最后一公里”
张军教授并未止步于单项技术突破，而是推动两项技术的深度融合。例如，在制备高梯度定向凝固的单晶叶片时，利用电磁约束成形技术精确控制液态金属的初始填充形态，避免因浇注不均导致的成分偏析；反过来，定向凝固过程中稳定的温度梯度又为电磁场的精准施加提供了理想环境。这种“1+1＞2”的协同效应，使得实验室成果更快走向工程应用。
据公开资料显示，相关技术已在多家航空航天骨干企业落地，支撑了XX型发动机高压涡轮叶片、XX卫星姿控发动机推力室等关键部件的自主研制。更重要的是，团队培养了一批既懂材料科学又掌握工艺开发的复合型人才，为我国高端装备制造的长远发展储备了核心力量。
从理论探索到技术攻坚，再到工程转化，张军教授团队用十余年时间证明了：只有扎根国家重大需求，将基础研究与产业痛点紧密结合，才能真正推动关键技术的自主创新。这些突破不仅提升了我国在凝固技术领域的国际话语权，更为高端装备制造业的转型升级注入了强劲动能。