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曹春晓院士:放飞航空梦想 迈向钛业强国

发布时间:2016-10-20

导读: 曹春晓出生在烟雨江南,求学在上海,学成后北上京城,在西山脚下的航材院数十年如一日从事钛合金的科研工作,并成为国内外知名的钛合金专家。

  风雨兼程六十载
  硕果累累报祖国
  曹春晓出生在烟雨江南,求学在上海,学成后北上京城,在西山脚下的航材院数十年如一日从事钛合金的科研工作,并成为国内外知名的钛合金专家。
  1956年,22岁的曹春晓从上海交通大学金属压力加工专业毕业后来到了航材院工作,适逢当年航材院正在筹建日后在航空领域大显身手的中国第一个航空钛合金试验室,曹春晓有幸成为其中的一员,并由此走进了一个神秘而又崭新的世界,实现他献身于国防科技事业的夙愿。
  在现代材料科学与技术的发展历程中,航空材料一直扮演着先导和基础作用,“一代材料,一代装备”。随着美国普惠公司首次研制出的钛合金叶片被成功的应用于航空发动机上,具有优异特性的钛合金在各种航空结构材料中的使用比率也不断上升,并逐步成为现代航空器不可或缺的材料,尽快将钛合金应用到飞机制造业,也是我国航空发展史中必不可少的环节。
  1965年,曹春晓肩负课题负责人的重任,选择TC4钛合金为突破口,创造性地解决了各种技术难题,曹春晓团队终于研制出来由钛合金制成的飞机发动机叶片。
  1966年,我国第一台装上钛合金叶片的航空发动机试车成功,掀开了我国航空发动机用钛史的第一页,实现了零的突破。此后的十几年中,在曹春晓与其他科技人员继续努力与推动下,将TC4钛合金叶片和压气机盘扩大到五六种机型之中,取代原来笨重的钢叶片和钢盘,显着地减轻了发动机重量,提高了发动机的推重比,为我国空军装备的现代化作出了重要贡献。技术鉴定会为其作出了中肯的鉴定:“TC4合金产品的组织性能达到了国际及美国宇航材料标准,它的研究成功为我国钛工业的发展和在航空工业中的应用奠定了基础,起到了开路先锋的作用。”
  1979 年,我国决定用歼8Ⅱ等新型歼击机装备空军,新型机所用涡喷13 系列发动机需要一种耐热温度、拉伸强度比TC4高的TC11钛合金,用以制造第三至第八级压气机盘、转子叶片和第一至第七级静子叶片。由于研制难度大,冶金部和航空部一度考虑花500万美元从国外购买。曹春晓得知后,决定率领航空部内外的同仁展开了攻坚战,研发我们国家自己的钛合金。钛合金大型模锻件及其坯料的金相组织很不均匀是长期未能解决的“老大难”问题,他十分清楚,他们的研究对于新中国的军事、经济和社会发展,具有重要的战略意义。记不清在多少个废寝忘食的日日夜夜之后,曹春晓创造性地提出了一种高低温交替的新型锻造工艺,能显着改善大锻件内部组织性能的均匀性和稳定性。
  装上了TC11合金的涡喷13发动机按计划顺利通过了长期试车。由于TC11钛合金具有优良的综合性能,且工程化生产应用方面比较成熟,自研发成功至今,不仅大批量地应用于涡喷13发动机,而且推广应用到昆仑、涡扇9等发动机,成为我国军工系统用量最大的一种钛合金。该成果获得了1987年国家科技进步一等奖(他是第一完成人)。
  之后,曹春晓又主持开展了以歼7型机减速伞舱梁为应用典型零件的TC11合金应用研究工作,与团队成员一起首创了BRCT热处理工艺,使TC11合金变成了独树一帜的兼有“四高二低”(高温、高强度、高韧性、高刚性、低密度、低裂纹扩展速率)特性的钛合金。该成果获得了1995年度国家发明三等奖(他是第一发明人)。
  1986年开始,为进一步提高发动机的推重比,迫切需要研制和应用一种能耐更高温度的新型钛合金。于是曹春晓作为“550℃高温钛合金的应用研究”这一重点预研项目的负责人,率领跨部门的大型联合课题组,突破了八大关键技术,圆满地完成了预定任务,通过了部级鉴定。鉴定委员会认为:“Ti-55合金是我国独创的含稀土元素钕的550℃高温钛合金,该合金在某新型航空发动机压气机盘、叶片和鼓筒上的成功应用,标志着我国高温钛合金的应用达到了新水平,形成了由TC4、TC11、Ti-55组成的航空发动机用主要钛合金系列”,“在率先应用含钕新型钛合金以及急冷式β模锻、三重式α+β热处理等关键技术方面具有创新性”。该项目于1998年获国家科技进步二等奖。
  此后,始终关注科技前沿的曹春晓获悉国外有人正在研制一种使用温度可达650℃~700℃的金属间化合物Ti3Al后,随即提出立项论证报告,被列入国家“863”高科技项目。他率领课题组创造性地采用了具有我国自己特色的熔炼、锻造和热处理工艺(其中新型均匀化熔炼技术已获国家发明专利,他是第一发明人),突破了“室温脆性”等技术难关,成功地研制出了我国第一批Ti3Al合金航空发动机零件。1990年底,他为此获国家科委工业技术司和国家高技术新材料领域专家委员会授予的“重要贡献奖”。他为把这一高风险的“革命性”材料推向实用化作出新的努力。在大量性能数据的基础上,一台装有Ti3Al合金(TD2)零件的航空发动机首次试车成功,在整个金属间化合物领域中起到了示范带头作用。在1996年评审验收中被国防科工委和中国航空工业总公司专家组评为A级。部级鉴定意见中指出:“TD2合金工艺及性能稳定,拉伸强度、塑性、断裂韧性、冲击韧性等关键性能优于美国同类合金(超α2合金),在均匀化熔铸工艺等实用化关键技术、性能系统研究以及Ti3Al基合金转子零件率先地面台架试车等方面居国际领先地位。”
  其后,他与课题组同志一起,又研究成功一种综合性能更优的新一代Ti3Al合金(TD3),并在生产条件下研制出我国迄今为止最大的Ti3Al合金锻件。与此同时,他还在积极研究可在750℃~850℃下长期工作的TiAl合金,已取得重要进展。
  在学术理论上曹春晓也颇有建树。他先后发表论文200余篇,在国内外钛学术界颇有影响。1978年他从英国考察钛合金回来,主导撰写了10.25万字的考察报告,受到了各有关厂、所、院、校的广泛好评。1980年他赴日本,在第四届钛国际会议上发表了题为“β转变组织形态等组织特征对Ti-6Al-4V合金力学性能的影响”的论文,在当时科技界普遍偏重控制钛合金等轴初生α含量的情况下,他阐明了β转变组织形态对力学性能起关键作用的独到见解,引起了各国学者的广泛重视。他参与编写的《锻件质量分析》一书获1983年全国优秀科技图书二等奖。他先后围绕钛合金β脆性形成和消失的塑变条件、高低温交替热变形技术基本原理、各类显微组织的形成和变化规律、疲劳与断裂行为及其特征、钕在钛合金中的存在形态和强化机制、钛燃烧及阻燃机理、钛基复合材料中富钕氧化物颗粒的析出行为、各种元素在Ti3Al和TiAl合金中的作用规律和机理等方面深入开展应用基础研究工作和发表学术论文,而这些学术思想的形成和交融正是他能取得上述累累硕果的基础。
  曹春晓从青年时代起开始与钛合金结缘,弹指一挥间,六十载岁月匆匆而过。如今,已步入耄耋之年但锐气不减当年的他,仍然坚守在科研工作第一线,为我国的科研事业继续贡献着智慧和力量。
  回首几十年的科研生涯,曹院士感慨道:“我只是众多科研工作者中的一员,能为祖国的建设发展做一些事情,我感到很自豪!”
  打造航空强国梦
  不可或缺钛材料
  从20世纪50年代开始,钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。该应用主要是利用了钛合金优异的综合力学性能、低密度以及良好的耐蚀性,比如航空构件要求高抗拉强度并结合有良好的疲劳强度和断裂韧性。而钛合金的优异的高温抗拉强度、蠕变强度和高温稳定性也使之被应用于喷气式发动机上。提升飞机性能的关键之一就是要减轻飞机的结构重量,对结构轻量化等方面有增无减的刚性需求,使航空应用领域越来越离不开钛。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一,应用它可以减轻飞机的重量,提高结构效率。
  曹春晓表示,我国航空材料的发展水平也正在由材料大国向材料强国过渡。目前世界上已在使用的合金,我国基本上都具备研发出来的能力,而且还拥有一些具有自主知识产权的合金件工艺技术。近十年来,我国的钛合金产业发展较快,钛材产量已列居世界第一位,整体钛合金发展水平也居于世界先进水平,然而目前国内的钛合金材料研究原始创新稍显不足,要在钛业大国的基础上,迈进钛业强国,需要提升自主创新能力,增强原始创新能力,研发一些具有自主知识产权的可以在国际上叫得响的航空材料。
  当前复合材料和钛合金这些材料得到大规模的发展和应用,过去使用Ti-6AI-4V(TC4)钛合金,现在我们在继续使用的同时,还研发出强度等性能更高的钛合金新品种,经过多年试验,飞机很多部件已开始使用这些新的钛合金。此外,另一具有断裂韧性高、疲劳裂纹扩展速率慢等特点的新品种合金——高损伤容限钛合金的出现,也是飞机上的钛合金用量越来越多的重要原因。
  另一方面,复合材料与钛合金是“最佳伴侣”,相辅相成,互相促进。复合材料含有碳纤维,应用中如果与铝合金接触,碳纤维与铝合金之间有电位差,而随着时间推移铝合金会被慢慢腐蚀,降低飞机安全性。因此,与复合材料接触使用的铝合金,就需由钛合金来代替以提高和保证飞机的安全性。
  曹春晓总结道,钛合金越来越受到广泛的应用主要原因有两个方面:一方面是因比强度高而减轻飞机的结构重量;另一方面是由于耐腐蚀性优良。
  谈及到飞机在严酷的海洋环境服役中如何防护时,曹院士说,由于钛合金具有很好的耐蚀性能,可以加大海洋服役环境中飞机的钛合金使用比重,但由于钛合金价格较高,出于经济考虑,钛合金材料需用在刀刃上,在关键的部件上加大钛合金的使用比重,以保证海洋服役环境中飞机的稳定性和安全性。
  后记:如今,中国的航空梦已经拨云而出。只要科研工作者心怀祖国、情系航空、志在超越、脚踏实地、创新图强、团结和谐,相信中国自主设计制造的一代又一代先进的飞机和航空发动机就一定能不断展现于世界航空之林。

来源: 中国腐蚀与防护网

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