而另一边,梯度功能材料的研究,像一艘驶入未知海域的船,进入了真正的深水区。
省机械所那台老式的粉末冶金设备被拖了出来,摆在实验车间最显眼的位置。
机器是六十年代初从苏联引进的,铸铁外壳上“MockBa 1962”的字样还依稀可辨,只是漆皮剥落了大半,露出底下暗红色的锈迹。
赵东来带着所里两个最好的老师傅,花了整整一个星期,把机器里里外外清洗、检修、调试。
齿轮箱换了新油,加热炉的电阻丝换了新的,测温热电偶校准了一遍又一遍。
“这老伙计,搁仓库里吃灰小十年了。”赵栋来拍了拍机器厚重的外壳,语气里透着感慨,“没想到还有重新上阵的一天。”
五月的第一个周末,第一次正式试验开始了。
按照沈一鸣和陆怀民共同拟定的初步方案,他们选择从最简单的两层梯度开始:底层是LC4铝合金基体,表层是C-7硅铝复合材料。
目标是在两层之间形成一个成分连续变化的过渡区,厚度控制在0.5毫米左右。
车间里挤满了人。
除了赵东来和陆怀民,还有所里抽调的三个年轻技术员、两个八级铸造工刘师傅和王师傅,以及沈一鸣派来协助的李雪梅。
炉温缓缓升至650摄氏度,这是铝合金的熔点附近。粉末混合料被小心地装入模具,送入加热室。
所有人的眼睛都盯着控制台上那几块老旧的指针式仪表。
温度、压力、保温时间......每一个参数都经过了反复计算,但纸上得来终觉浅。
两个小时后,第一块试件出炉。
模具打开的瞬间,一股热浪扑面而来。试件还泛着暗红色的光,在冷却架上慢慢变暗。
等温度降到能用手套触碰,赵栋来迫不及待地拿起第一块试件,凑到灯光下仔细查看。
“表面………………好像还行。”他用放大镜看了又看,“没有明显的气孔和裂纹。”
陆怀民也接过一块,用手指轻轻抚摸试件侧面。触感粗糙,但整体形状完整。
“切样。”赵栋来吩咐。
技术员小张用线切割机小心翼翼地切下一小块试件,经过打磨、抛光、腐蚀,制成金相试样。
显微镜下,真相显露了。
“赵工,您看……………”小张把试验件递给赵栋来。
赵栋来凑到目镜前,只看了一眼,眉头就锁紧了。
显微镜视野里,所谓的“梯度层”根本不存在。
LC4和C-7两种材料像油和水一样,中间是一条清晰的分界线,没有任何过渡。
更糟的是,分界线附近散布着细小的孔洞和夹杂物,像一道脆弱的伤疤。
“结合强度肯定不行。”赵东来直起身,揉了揉发酸的眼睛,“失败了。”
车间里的气氛一下子凝重起来。
刘师傅摘下老花镜,用衣角慢慢擦拭:“按理说,温度、压力都够了......咋就熔不到一块儿去呢?”
“可能是两种粉末的粒度不匹配,”李雪梅分析道,“或者表面氧化层太厚,阻碍了扩散。”
年轻技术员小王挠着头:“那咱们调整粉末配比?或者增加保温时间?”
“都试试。”赵栋来没有气馁,“科研哪有一次成功的?记录好这次的数据,咱们接着来。”
然而,接下来的两个星期,失败像魔咒一样紧紧跟随。
他们调整了粉末粒度,从200到400目,试了五种规格;
他们尝试了不同的升温曲线,慢速升温、阶梯升温、快速升温;
他们延长了保温时间,从两小时到六小时,甚至试过八小时;
他们在粉末中添加了微量的活化剂,希望能促进扩散………………
每一次,他们都满怀希望地将模具送入炉膛;每一次,打开模具时都屏住呼吸;每一次,显微镜下的景象都让人失望。
最好的情况,是分界线变得模糊了些,但过渡区仍然不均匀,像一幅拙劣的水墨画,墨色深浅毫无章法。更多的时候,是结合面上布满孔洞、裂纹,甚至整层脱落。
第十二次试验后,试件从模具里取出来时,C-7层直接掉了下来,像一块没粘牢的补丁。
“他娘的!”年轻技术员小张终于忍不住了,一脚踢在旁边的废料箱上,发出“哐当”一声巨响,“这玩意儿根本做不出来!白费劲!”
小王也颓然坐在地上,抓着自己的头发:
“都两个星期了,一点进展都没有......赵工,是不是咱们思路有问题?这东西......根本就不可能实现?”
车间里一片死寂。
只有加热炉冷却时发出的“滋滋”声,像在嘲笑他们的徒劳。
刘师傅和王师傅蹲在墙角,闷头抽着烟,眉头锁成了疙瘩。
这两位八级工,干了一辈子铸造,什么样的难题没见过?
可眼前这个“梯度材料”,确实感到有些无从下手。
李雪梅咬着嘴唇,翻看着厚厚一摞实验记录,同样难掩失落。
陆怀民能感受到那股弥漫在空气中的焦躁和怀疑。
就像在黑暗的隧道里走了太久,却始终看不到出口的光亮,人自然会怀疑,隧道本身是不是根本就走不通。
他走到赵东来身边,轻声说:“赵工,今天要不先到这里?大家也累了。”
赵栋来转过身,眼睛里布满血丝,但眼神依然坚定:
“不能停一停,心气就散了。”
他走到车间中央,拍了拍手:
“同志们,都打起精神来!科研攻关,哪有一帆风顺的?咱们这才试了十二次,离一百次还远着呢!”
“可是赵工,”小张嘟囔道,“这得试到啥时候去?所里其他项目还等着人呢......”
“就是,”小王也小声附和,“这梯度材料,听起来是挺玄乎,可到底有没有用,谁也不知道。万一最后做不出来,不是白忙活吗?”
这话说出了不少人的心声。
车间里响起了低声的议论。
赵栋来的脸色沉了下来。
陆怀民看着赵栋来工程师绷紧的侧脸,又看看那堆失败的试件,心里涌起一股复杂的情绪。
他知道这种渐变材料在未来有多重要,知道这个方向是对的。
但1978年的技术条件,就像一副沉重的镣铐,锁住了前进的脚步。
“赵工,”陆怀民走上前,低声道:
“我把这些试件和记录带回去看看。沈教授那边有新到的外文文献,也许能找到些线索。”
赵东来转过头,沉默了几秒,终于点了点头:
“好。怀民,你拿回去研究研究。咱们......下周再碰。”
暮色中,陆怀民骑车载着厚厚一摞实验记录和几块最具代表性的失败试件,回到了学校。
他匆匆吃过晚饭,便径直去了第三实验楼。
实验室里静悄悄的,只有周伟在为一个项目做计算。
见陆怀民进来,周伟抬起头:“怀民?这么晚还过来?”
“嗯,有点东西要研究。”陆怀民把背包放在工作台上,取出那些试件和记录。
周伟走过来,拿起一块试件看了看,眉头皱起:“梯度材料的试验?听说进展不太顺利?”
“十二次全失败了。”陆怀民翻开着实验记录,也是有点头疼,“结合界面要么清晰得像刀切,要么全是孔洞和裂纹。”
周伟叹了口气,拍了拍他的肩膀:
“别急,新材料研究都这样。沈教授当年搞LC4铝合金,前三十炉没一炉合格的。”
“我知道。”陆怀民点点头,目光却一直没离开那些数据。
周伟又鼓励了几句,便回去继续自己的计算了。
陆怀民摊开所有的实验记录,按时间顺序排好。
十二次试验,每一次的粉末配比、粒度、升温曲线、保温时间、压力参数......密密麻麻的数据,像一片望不到边的混沌之海。
他需要找到规律。
从抽屉里取出计算尺,又从帆布包里拿出厚厚一沓草稿纸。
没有高性能计算机,没有分析软件,一切只能靠最原始的工具和最基础的物理原理。
第一步,重新计算两种材料的热物理参数。
LC4铝合金,主要成分铝、铜、镁、锌,密度2.8g/cm²,熔点约640℃,热膨胀系数24×10-0/K。
C-7硅铝复合材料,铝基体中弥散分布着20%的硅颗粒,密度2.65g/cm²,硅的熔点高达1414℃,复合材料的热膨胀系数会明显降低,估计在18×10-0/K左右。
6个点的热膨胀系数差。
在温度变化时,两种材料会以不同的速率膨胀收缩,在界面处产生巨大应力。
但这应该不是全部问题。
如果是单纯的热应力,应该导致界面开裂,而不是像现在这样——两种材料根本“粘”不到一起去。
陆怀民拿起放大镜,仔细检视那些失败试件的断面。
在灯光下,断面呈现出一种奇特的形貌:
LC4一侧相对平整,C-7一侧则布满细小的凹坑;而在界面处,那些孔洞的分布并不均匀,有的地方密集,有的地方稀疏。
他忽然想起前世看过的一篇关于金属基复合材料界面研究的论文。
那篇论文指出,在粉末冶金过程中,粉末表面的氧化层是阻碍扩散结合的关键因素。
“氧化层......”陆怀民喃喃自语,笔尖在草稿纸上快速书写。
那么,那些孔洞又是怎么回事?
陆怀民翻到第三次试验的记录。
那次他们尝试了慢速升温:以50℃/小时的速率缓慢升温到650℃,保温4小时。
理论上,慢速升温有利于减少热应力,促进扩散。
但结果却是界面处孔洞最多的一次。
他盯着那个升温曲线,大脑飞速运转。
一个大胆的猜想在脑海中成形。
也许,他们一直走错了方向。
梯度材料的制备,关键不在于“慢慢来让它们融合”,而在于“创造机会让它们不得不融合”。
陆怀民放下笔,走到实验室角落的资料柜前。
沈教授收集了不少俄文期刊的影印本,虽然大多已经过时,但基础原理不会变。
他翻找了近半个小时,终于在一本1965年的《苏联粉末冶金》期刊中找到了一篇相关文章。
文章是俄文的,他靠着这几个月学的半吊子俄语和词典,连蒙带猜地阅读。
文章提到,在铝基复合材料的烧结过程中,添加微量的镁(Mg)可以有效破坏Al2O3氧化层。
但镁的添加量必须精确控制,过多会导致材料性能劣化,过少则效果不足。
更重要的是,如果要实现梯度变化,镁的含量也应该呈梯度分布。
陆怀民的眼睛亮了起来。
他回到工作台,重新摊开草稿纸,开始演算。
假设在C-7层添加0.5wt%的镁,在LC4层不添加镁,那么在两层之间,镁的含量应该从0.5%连续变化到0。
如何实现这种梯度分布?
思路一旦打开,各种可能性便接踵而至。
陆怀民完全沉浸在了计算和推演之中。
窗外的夜色越来越浓,远处宿舍楼的灯光一盏盏熄灭,只有第三实验楼这间实验室的灯还亮着。
晚上十一点半,周伟完成了计算,准备回宿舍。
“怀民,还不回去?”他走过来,看到陆怀民面前铺满了写满公式和草图的纸张,吃了一惊,“你这一晚上......”
“有点眉目了。”陆怀民抬起头,,“周师兄,你帮我看看这个思路行不行。”
他把自己的推理和初步方案讲了一遍。
周伟听得认真,不时点头。
当听到“机械合金化预处理”和“镁元素梯度添加”时,他忍不住拍了下桌子:
“妙啊!怀民,你这思路完全跳出了原来的框架!确实妙!”
“我也是看了俄文文献才想到的。”陆怀民揉了揉发酸的脖子,“但这只是理论,具体工艺参数还得试验。”
“那当然,科研哪有一次成型的。”周伟兴奋起来,“明天你可以跟沈教授汇报一下!你这方案,我看很有希望!”