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中国“金戈铁马”维修之父 ——访中国工程院院士徐滨士校友

刘忠奎

        今年整整81岁的他做了半个多世纪的“表面”文章,只是他的“表面”文章并非有形式无实质内涵,而是一个个关于修复物体表面磨损与腐蚀的创新技术及理论:

        徐滨院士(资料片) 

 

  他创造性地研制了电刷镀设备及各种镀液,突破了飞机、舰船等重大型装备不需解体就能现场修复的技术难关,连续在国家3个“五年计划”中被列为重点推广新技术项目,创造价值达30多亿元;

        他首次在国内将等离子喷涂技术用于重载车辆薄壁磨损零件的修复,不仅解决了多种薄壁零件不能修复的重大难题,而且还使修复的零件耐磨性比新品提高1.4至8.3倍,寿命延长1至2倍,修复成本却只有购买新件的1/10;

        他开发的防腐、耐磨电弧喷涂技术,攻克了大型船舶及水电工程钢结构表面易腐蚀的难题,使其防腐寿命由原来的5年提高到了15年;

        他几乎与国际同行同步提出建立表面工程科学,带领中国的技术研发走在世界前列;

        他在中国首倡再制造工程,并赋予其鲜明的中国特色;

        他心无旁骛,年复一年地潜心钻研,至今已近60年,并且还在继续努力着。

        ……

        他就是我校校友、中国工程院院士徐滨士,我国设备维修、表面工程和再制造工程学科的倡导者和开拓者之一。

哈工大为我打下了扎实的基础

        1931年,徐滨士出生在哈尔滨市一个普通家庭里。“当时家里很贫穷,日本侵略者不让中国人吃大米白面,能填饱肚子就不错了。”儿时的苦难生活给徐滨士留下了深刻的记忆。小的时候,徐滨士经常看到同胞们被日本人欺负蹂躏,于是他暗下决心:“用知识把祖国建设强大,改变国人的命运,不再受人欺压。”在强烈报国心的驱使下,徐滨士发奋读书,从小学到高中,学习成绩始终名列前茅。

    徐滨院士(右一)在焊接专业成立60周年庆祝活动上(冯健 摄)      

  1945年,日本侵略者战败后,哈工大翻开了新的一页。1947 年,徐滨士考取了哈工大机械制造与焊接专业,开始了人生新的征程。徐滨士与其他中国学生一起先读了两年预科,系统学习了俄语与高中数、理、化。“那时学生虽然素质参差不齐,但是大家都十分刻   苦地学习,都想学有所成后建设祖国。”徐滨士说。

       进入专业学习后,哈工大也真正回到祖国的怀抱。为了学习苏联的办学模式,为国家培养师资,哈工大聘请很多苏联专家来校任教。这些学识渊博、治学严谨、富有工程背景的苏联专家,尤其是他的本科导师卡布钦科深深吸引了徐滨士。“他们讲课很认真,授课内容很专业、成体系,而且都与工程实践相结合,考试也特别严格,感觉收获非常大。”苏联专家用俄语讲授课程,让徐滨士受益良多——平时的作业、课程设计,就连毕业设计他都用俄文完成,答辩时也是使用俄语。

        素有“工程师摇篮”之称的哈工大,那时对学生的动手实践能力特别重视。徐滨士去过哈尔滨锅炉厂、电机厂、汽轮机厂,齐齐哈尔机床厂,沈阳机床厂,大连造船厂等地进行认识学习、生产实习等,他的本科毕业论文也紧密结合生产实际,以“发电机机壳的焊接结构的机械设计”为题进行研究。1952年,哈工大成立了全国最早的焊接专业,为了尽快培养出焊接专业的本科生,学校抽调了当时已大四的徐滨士、崔维达、翟海寰3人学习焊接。从此,徐滨士的人生轨迹发生了重大转折,也与焊接结下了一生情缘。

       欣闻哈工大焊接专业成立60周年,徐滨士怀着激动的心情回到了魂牵梦萦的母校。“看到焊接专业及母校快速发展,取得了重大成绩,我感到很欣慰,这些成绩都是哈工大人‘规格严格,功夫到家’的优良传统薪火相传的结果,也是学校长期以来狠抓教学质量与人才培养质量的结果。我在哈工大学习了7年,母校为我以后的发展打下了扎实的基础。”

        看到意气风发的学子们,徐滨士有很多话想说:“大学生一定要学会创新,只有创新,才能站在学科前沿,才能领略科研山峰上的无限风光。同学们还要培养独立解决技术问题的能力,增强动手实践能力,不断攻克科研道路上的艰难险阻。同时,我们要铭记科研道路上并非一马平川,而是荆棘密布,我们不能遇到困难就退缩,要充满信心,坚持不懈,想方设法迎难而上,最终胜利一定是属于我们的。”

科研要当有心人

        1954年,徐滨士被分配到哈尔滨军事工程学院,穿上军装,当上了一位装甲兵工程系修理教研室的教员,建设修理焊接实验室。

        当时,国家还很贫困,武器装备零部件磨损后,换不上新的,往往只能修理后再用,维修工作显得特别重要。徐滨士暗下决心,要用所学的知识攻克坦克零部件磨损后的修复难关。

        有一天,徐滨士从国外杂志上看到了一则几百字的振动电弧堆焊能够修复薄壁零件的信息。他如获至宝,立即和助手按照杂志上介绍的简单原理摸索着干起来。经过100多个日日夜夜的试验和无数次的失败,他们终于研制成功了国内第一台振动电弧堆焊设备,突破了薄壁零件不能修复的禁区。

        用振动电弧堆焊技术修复的零件质量只能接近新品,能不能修得更好呢?徐滨士继续寻求着新的突破。一次,他到哈尔滨锅炉厂参观,看到锅炉厂用等离子堆焊技术制造高压阀门来提高零件的耐磨性时,灵感突发:“何不将等离子喷涂技术用于坦克零件维修呢?”说干就干,他带领团队,历经数十次失败,先后攻克了喷枪、电源等一系列技术难关。试车结果表明,经过等离子喷涂技术处理的68项242个零件,耐磨性比原来提高了1.4至8.3倍,而维修成本只有新购零件的1/8。随后,他又潜心研制出了适合坦克零件修复的等离子喷涂设备,并优化出5种工况零件修复工艺规范,解决了坦克52项薄壁零件不能修复的难题,并于1981年开始在全军推广应用,年经济效益达366万元。该技术也因此于1985年获得国家技术进步奖二等奖。20世纪90年代末,在传统等离子喷涂技术的基础上,徐滨士研究开发出高效能超音速等离子喷涂技术,能耗和气体消耗量下降1/3,其综合性能超过美国同类产品,喷涂的纳米涂层可用于修复高性能飞机发动机叶片。该技术于2003年获得国家科技进步奖二等奖。

        在解决了能修复和修得更好的问题后,徐滨士又开始向快修复的难题进军。一天,他了解到从国外进口的民航客机上,随机都带有一种叫作“电刷镀”的装置,飞机的零件坏了,用这个东西一刷就完成了修复。“这种技术既然能用于飞机零件的快速修复,那么其他机械零件应该也可以用。”徐滨士心想。

        镀液是什么成分?镀笔的构造如何?徐滨士带领课题组一遍遍地调整配方,一次次地试验,经过1年零4个月的苦战,终于掌握了电刷镀技术,并在全国推广应用获得重大经济社会效益。他也因此获得国家科技进步奖一等奖。这一技术至今仍用于许多大型装备的快速维修上。天津石油化纤厂的一台从国外进口的大型设备主轴损伤,被迫停产。外国专家提出必须购买原厂生产的新轴来替代,需要3个月时间和10万美元修理费。没想到,徐滨士带领技术人员采用电刷镀技术,只花了1.3万元,14天就修复了这台大型设备,并使其坚持了长时间的安全运行。

        回望徐滨士维修事业的发展轨迹,从“能修复”到“修得更好”,再到“快修复”,技术的每一次进步似乎都是偶然的巧遇,但徐滨士让助手们佩服的是,他首先能从纷繁的信息中甄别哪个是有用的;其次是能在没有详细资料更没有人可以请教的情况下,靠集体智慧一点一点摸索,最后开发出具有自主知识产权的先进技术。

徐滨士坦言,科学研究没什么秘诀,关键要当有心人,善于借鉴他人的成果和经验,咬定目标,重点放在“坚持”二字上,就能较快地接近研究前沿。

        徐滨士还经过多年的科研攻关,成功开发出新型履带板材料中锰钢,使国产坦克所用材料寿命由原来的3 725公里一跃超过10 000公里,比原来的锰钢(Mn13)材料寿命延长2倍以上。

        近年来,他又成功开发出纳米颗粒复合电刷镀技术,在传统镀液中添加纳米颗粒,制备的纳米复合涂层可显著提高材料的耐高温耐磨及抗接触疲劳性能,并延长使用寿命,获得国家发明专利2项,并在全军16家装备维修重点部队推广应用,解决了重载车辆、舰船、飞机发动机的一些关键零件的再制造技术难题,于2009年获得国家技术发明奖二等奖。

        这就是徐滨士,在科研的道路上从不机械地模仿别人,也不重复自己。

实践要上升到理论

        “工程技术是实践性很强的工作,科研要及时把经验上升到理论,才能做到‘多快好省’。”徐滨士经常强调。  

        2004年10月25日,在上海召开的第14届国际热处理与表面工程学术会议暨国际热处理与表面工程联合会第33届常务理事会上,徐滨士被授予国际热处理与表面工程联合会最高学术成就奖。在徐滨士之前全世界仅5人获此殊荣。  

        正是因为徐滨士的倡导和参与,我国的“表面工程”学科几乎与国际同步建立,技术的研发也走在了世界前列。  

        20世纪80年代初,在大量的维修工作实践中,徐滨士发现装备和零部件的损坏有个共同点,即问题都出在“表面”,腐蚀从表面开始、磨损在表面发生、疲劳损伤由表面向内部延伸……共同点往往就是理论创新的逻辑起点。他认为,若能把“表面”的实践上升到理论,找出表面维修的本质问题与规律性的东西,建立起“理论”体系,就可以在理论的指导下,从被动的研究走向主动的研究、从自发的研究走向自觉的研究,取得“多快好省”的成果。  

        徐滨士的这一想法得到了中国机械工程学会和同行专家的支持。1987年,他综合集成维修工程、材料工程和机械工程等学科,建立了我国第一个表面工程研究所与装备再制造技术国防科技重点实验室,全力研究和解决表面工程中的许多基础理论与关键技术问题,并创办了《表面工程》杂志。  

        理论研究需要多方面的知识储备,徐滨士一方面自己加强学习,另一方面招收跨学科的研究生。近几年,他从基础理论研究入手,开展纳米电刷镀等技术研发取得了事半功倍的效果。  

        针对不同的本体材料需要不同的纳米电刷镀液问题,徐滨士带领课题组首先解决了纳米颗粒在盐溶液中分散与悬浮稳定的理论难题,并制备出了不同体系的20余种纳米电刷镀液。可以使工件具有更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等能力,从而延长装备使用寿命。有一架高性能飞机的发动机压气机叶片磨损严重,导致发动机无法正常工作,采用纳米电刷镀技术仅几小时就将叶片修复如新,性能指标达到了新叶片的水平,其修复成本仅为换新叶片费用的百分之一。  

         从基础理论上掌握了纳米材料的特性和应用工艺后,徐滨士又将研究成果扩展到纳米自修复机油添加剂的开发中,并且很快就取得了突破。这种自修复纳米添加剂加入到发动机的机油中后,能自动感应发动机的磨损部位,然后自动到达自动修复磨损部位,形成固态修复膜,从而在不停机、不解体状况下实现磨损表面的自修复。  

        近年来,徐滨士及其团队先后攻克了废旧零件寿命预测和评估技术、高速电弧喷涂技术和微弧等离子熔覆技术等,开发了适用于舰船、电站等多种防腐、耐磨电弧喷涂合金及粉芯丝材,成功解决了我国多项装备维修保障难题。他研发的多项技术和设备也已出口国外。 

“使中国领先于世界”

        20世纪90年代初,海湾战争爆发。徐滨士在关心战事时意外发现,美军轰炸机有的还是1961年生产的,早该退役了,可是这些“老古董”却仍然翱翔在战争的硝烟中。  

        奥妙在哪里?徐滨士研究发现原来美国人通过再制造工程对飞机进行了延寿和改造,使其寿命延长,性能提升,得以重上蓝天。徐滨士敏感地意识到,这种让机械装备延长使用寿命的再制造技术肯定是今后制造业的发展方向,能为建设资源节约和环境友好型社会、创新型国家作出更大贡献。  

        美国和欧洲的再制造是以换件修理和尺寸修理为主要手段,通过对失效部件的更换和升级,带来装备性能的恢复和提升。徐滨士发现,这种立足制造业的再制造存在明显不足。那些被更换下来的失效部件只有两种处理办法:或者被弃之不用,直接填埋;或者被回收利用,重走一遍熔炼-成型-制造-使用的过程。两种方式对能源的消耗以及对环境的污染都不可小视。“两种办法带来的后果都是我们这个地球所不能承受的,我们这个地球已非常脆弱!我们应该另辟蹊径,让再制造好上加好,更好地推动人类社会可持续发展。这是一个负责任的科学家应尽的职责。”徐滨士反复对助手们强调。  

        徐滨士联想到,既然零件失效往往发生在表面,何不将成熟的表面工程技术融入再制造中,对零件进行修复。于是,他创造性地赋予再制造工程以鲜明的中国特色:把着眼点放在对废旧零件的高技术修复上,将成熟的表面工程技术以及信息技术、纳米技术、生物工程技术等融入再制造中,突破“原样修复”的局限,不仅要使老旧装备达到与新品一样的性能,甚至还要超过新品。  

        循着这一思路,徐滨士带领他的科研团队开始了试验。在徐滨士的实验室里,一台20世纪六七十年代生产的老旧机床居然变成了数控机床:原来的丝杆传送被替换成滚珠传送;磨损的导轨通过纳米颗粒复合电刷镀技术获得了修复……经测试,经过再制造的机床加工精度大大提高,与性能相当的数控机床相比,再制造成本节约50%以上,还节能60%、节材70%。   

        徐滨士意识到,要适应再制造的产业化要求,相关技术必须从手工操作过渡到自动化操作。为此,他带领课题组重点开展自动化再制造表面工程技术的研发。在徐滨士的实验室可以看到:自动化高速电弧喷涂技术用于重载汽车发动机箱体的再制造,其时间由手工操作的1.5小时缩短为20分钟,效率提高4.5倍;自动化纳米颗粒复合电刷镀技术可一次性完成4至6件发动机连杆的电刷镀,并使单件作业时间由60分钟缩短为5分钟,效率提高10倍以上。  

        “在我们建设资源节约型环境友好型社会的进程中,再制造大有用武之地。在再制造领域,中国是技术大国产业小国,这种局面必须尽快改变!”行事一向低调的徐滨士,只要有机会就会发出这样的声音。   

        精诚所至,金石为开。在徐滨士的倡导和推动下,“表面工程”理论引起了国际上的关注和重视。2002年10月,英国伯明翰大学表面工程研究所所长、英国皇家工程院院士托玛斯·贝尔教授专程来到中国与徐滨士会晤,就中英双方共同进行“表面工程”的深入开发研究达成了一系列协议。看到徐滨士取得的骄人成绩,贝尔教授佩服地说:“‘徐’使中国领先于世界!”再制造工程也受到我国政府和有关部门的重视,2005年,国务院颁发的21、22号文件均将再制造技术列为关键技术之一;2006年,《国家中长期科学和技术发展规划战略研究报告》将“共性关键制造技术与再制造技术”作为制造科技发展的24项优先主题之一。这为再制造在中国的长远发展提供了决策性论据。近年来,国家相继出台《循环经济促进法》、《推进再制造产业发展的意见》和国家“十二五”《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》等多项重要举措,加快促进再制造产业发展。    

        徐滨士还是一个“多产”的专家。他先后承担国家“973”、“863”、国家自然科学基金重点项目、国家科技支撑项目,中英、中波政府合作项目,国家发改委和中国工程院咨询项目等80余项科研项目;获国家科技进步奖7项、国家技术发明二等奖2项、省部级及军队级科技进步奖14项;出版《中国材料工程大典(第16、17卷):材料表面工程(上、下)》、《装备再制造工程的理论与技术》、《循环经济与再制造》、《表面工程的理论与技术》、《纳米表面工程》、《再制造工程基础及其应用》、《再制造与循环经济》等专著19部;发表学术论文1 000余篇。1995年,徐滨士众望所归当选中国工程院院士。  

        徐滨士还先后获得中国机械工程学会“科技成就奖”、中国工程院“光华科技工程奖”、中国机械工程学会焊接学会“中国焊接终身成就奖”、“摩擦学最高成就奖”、“中国表面工程最高成就奖”等荣誉,并担任过中国机械工程学会副理事长、中国设备管理协会副会长、国家产学研设备工程开发推广中心主任、《中国表面工程》及《中国设备工程》杂志编委会主任等职务。   

        “我们要多出成果,快出成果,给中国的再制造产业、装备维修工程、表面工程等提供技术支撑,为建设国富民强的祖国作出更大的贡献。”81岁的徐滨士总是把对国家和社会的那份责任扛在肩上,从来不曾放下。