新型航空材料的“子丑寅卯”

“一代材料，一代裝備”，原中央軍委副主席、國防部長曹剛川在考察中航工業(yè)航材院時曾這樣說。深入研究鈦合金五十年的中國科學(xué)院院士曹春曉認(rèn)同道：“材料研究和裝備制造必然是相互促進的，沒有先進的材料，就無法制造出先進的裝備產(chǎn)品；而沒有裝備的需求，也無法促進新型材料的研發(fā)?！?/p>

現(xiàn)年78歲的曹春曉專注于鈦合金的研究、生產(chǎn)及應(yīng)用已經(jīng)50余年。說到鈦合金，所有人都不陌生。作為金屬穩(wěn)定性最好的輕型金屬，鈦合金常常出現(xiàn)在我們的生活中：手表、眼鏡、自行車以及體育用具都需要鈦合金的參與。同時，鈦合金也是航空裝備上的必備利器。鎂、鋁、鈦這三種輕型金屬中，以鈦的抗腐蝕性最好；鈦合金的比強度（強度/密度）也高于鋁合金，這就意味著在同等體積下，可以承擔(dān)更大的載荷，復(fù)合材料與鈦接觸時不會出現(xiàn)與鋁接觸時那樣的化學(xué)腐蝕。因此鈦的應(yīng)用領(lǐng)域正在變得越來越廣泛。這種廣泛應(yīng)用，是指在深入了解其金屬特性的基礎(chǔ)上“因材施用”，而非簡單的替換。說到這一點，曹春曉列舉鋁合金和復(fù)合材料的特性與鈦合金分別對比。

鋁合金過去通常是航空裝備制造中的主導(dǎo)材料，其應(yīng)用范圍往往占據(jù)飛機機體結(jié)構(gòu)的60%以上，甚至達70%左右。而如今，由于復(fù)合材料和鈦合金等材料能夠更好的彌補其較差的抗蝕性和不夠理想的比強度等不足之處，鋁合金在飛機機體中的使用率已經(jīng)顯著下降，甚至在某些情況下到不到30%，從這一點上看，復(fù)合材料和鈦合金的大規(guī)模應(yīng)用是航空材料發(fā)展的必然趨勢。但另一方面，考慮到飛機（特別是民用飛機）制造的經(jīng)濟性、以及加工工藝性優(yōu)良、回收率高等特性，鋁合金還將在飛機制造中繼續(xù)扮演不可或缺的重要角色。

碳纖維復(fù)合材料是鋁合金的“第一競爭對手”。它具有高于鈦合金和鋁合金的比強度，然而最高使用溫度只能到300℃左右，和鋁合金相近，而鈦合金的使用溫度就能到600℃。由于碳和鋁之間存在較大的電位差，復(fù)合材料對鋁合金有顯著的腐蝕作用，這使得復(fù)合材料在應(yīng)用時必須選用鈦合金作為連接件材料，復(fù)合材料用得越多，鈦合金的使用份額也會相應(yīng)上升。現(xiàn)在我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)強度為三千幾百兆帕的復(fù)合材料，并且已經(jīng)用于我國生產(chǎn)的飛機上。強度更高的T700和T800我國已經(jīng)進入試制階段，不久的未來就能夠進入應(yīng)用領(lǐng)域。

因此“不能簡單的說，輕型合金和復(fù)合材料之間只有競爭關(guān)系，因為他們在一些性能上是相互補充的?！辈艽簳赃@樣總結(jié)道。

相比起鋁合金和復(fù)合材料，鈦合金在某些條件下則以優(yōu)良、均衡的綜合性能而勝出，如美國F-22上鈦合金的使用量達到40%左右，彰顯出鈦合金應(yīng)用的廣闊前景?，F(xiàn)在我國自行研發(fā)的軍用飛機上也已經(jīng)大量使用鈦合金，民機上的應(yīng)用前景也很廣泛：波音777上的鈦合金使用量占全部材料的7%～8%左右，現(xiàn)在波音787上鈦合金的使用份額則占到了15%，我國自行設(shè)計制造的大飛機C919的設(shè)計使用份額為10%左右。

廣義的鈦合金可包含鈦-鋁系金屬間化合物，鈦鋁（TiAl）合金可謂其中的“明日之星”。

鈦鋁合金比重略小于普通鈦合金和Ti3Al合金，而其使用溫度可以高達760～850℃，遠高于普通鈦合金的600℃和Ti3Al合金的700℃。Ti比重為4.5，Al比重為2.7，使得鈦鋁合金的比重遠遠小于高溫鎳基合金的8.4左右。根據(jù)2011年世界鈦合金會議的論文資料，GE已經(jīng)將鈦鋁合金應(yīng)用于最新的GENx發(fā)動機上，用于最后兩級低壓渦輪葉片。這一方面減輕了渦輪葉片重量，另一方面，由于高速旋轉(zhuǎn)時的離心力相應(yīng)減小，渦輪盤可以制造得更薄。每使用一級鈦鋁合金渦輪葉片，發(fā)動機重量就能夠減輕45.5千克。波音787上裝配了兩臺GENx發(fā)動機，每臺發(fā)動機上使用了兩級鈦鋁（TiAl）合金渦輪葉片，僅發(fā)動機本身，鈦鋁合金就為波音787減輕了182千克重量；波音747-8洲際客機上則裝配了4臺GENx發(fā)動機，但每臺發(fā)動機只用了一級鈦鋁（TiAl）合金渦輪葉片，因此為每架波音747-8減輕的重量也為182千克左右。

這一成果得益于長時間的研究。美國對于鈦鋁合金的研究始于上世紀(jì)80年代，在90年代出現(xiàn)一批相應(yīng)的技術(shù)成果，鈦鋁合金之所以現(xiàn)在才剛剛開始服務(wù)于大型客機制造，其中很大一部分原因在于鈦鋁的延展性和韌性較差，脆性大，加工和設(shè)計使用方面要解決很多關(guān)鍵技術(shù)問題，這也是我國鈦鋁合金研究所需要攻克的重要課題。曹春曉認(rèn)為，一旦這些難關(guān)得到攻克，樂觀看來，5年左右鈦鋁合金即可以進入試用階段，航空發(fā)動機低壓渦輪、高壓壓氣機等溫度超過600℃的運行環(huán)境都是鈦鋁的用武之地。輕盈的鈦鋁合金在轉(zhuǎn)動件方面的應(yīng)用前景將非常廣泛，在850℃以下的運行環(huán)境中，傳統(tǒng)的、比重較大的鎳基合金都可能被鈦鋁合金所替代。

2009年，曹春曉主持的某課題順利結(jié)項。這一項目由中航工業(yè)航材院牽頭，組織了多家相關(guān)研究院校廠所，為期五年，涉及鈦合金等各種典型航空材料凝固成形、塑性成形的精確控形、精確控性的理論和方法。作為眾多國防項目中第一個以制造技術(shù)為研究重點的項目，其成果具有重要理論意義和實用價值。

在主持完成這一項目后，為了鼓勵和促進青年科研工作者的成長，曹春曉不再擔(dān)任課題負(fù)責(zé)人，但仍以指導(dǎo)人的身份參與研究。曹春曉一方面密切關(guān)注著國內(nèi)外航空材料發(fā)展和應(yīng)用的最新動向，也同時著力推動我國航空材料從研究成果轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品?，F(xiàn)在我國鈦及鈦合金的年產(chǎn)量已占世界首位，其性能水平、生產(chǎn)工藝、流程及標(biāo)準(zhǔn)都已經(jīng)達到了世界同步水平，然而要在質(zhì)量上保持批生產(chǎn)的穩(wěn)定性，在生產(chǎn)自動化程度、質(zhì)量檢測和管理水平等方面還存在一些問題。材料質(zhì)量是裝備性能的基礎(chǔ)，材料質(zhì)量的細微誤差，如孔洞、夾雜都可能成為金屬構(gòu)件裂紋的疲勞源，使得裝備在遠未達到使用壽命時就出現(xiàn)安全事故。因此，對于金屬材料來說，熔鑄過程中的純凈程度，結(jié)構(gòu)上的致密程度，復(fù)合材料鋪層彼此間結(jié)合是否密切，都可能影響到航空裝備的可靠性。在這方面，我國還需大力改進生產(chǎn)管理流程和自動化程度來保證批生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定和可靠。

作為博士生導(dǎo)師，曹春曉強調(diào)，航空裝備的發(fā)展，歸根結(jié)底要落實到創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)上。目前校園教育的最大問題是培養(yǎng)創(chuàng)新意識不夠。創(chuàng)新意識必須從小就開始教育，同時輔以工作上的信任，鼓勵年輕人勇?lián)厝?，促使他們在學(xué)習(xí)和實踐中勤于思考、主動思考，并善于運用創(chuàng)新思維去發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，創(chuàng)造新技術(shù)。