天遼海闊 “鈦”造神奇
——訪中國科學(xué)院院士曹春曉

◎ 文 / 李 臻

曹春曉

中國科學(xué)院院士，材料科學(xué)家、鈦合金專家，中國鈦合金研究和應(yīng)用的創(chuàng)始人之一，“航空報國金獎”得主?，F(xiàn)為北京航空材料研究院研究員、博士生導(dǎo)師、學(xué)位評定委員會主席，南昌航空大學(xué)教授和原學(xué)術(shù)委員會主任（現(xiàn)為名譽(yù)主任），國家大型飛機(jī)重大專項(xiàng)專家咨詢委員會委員， 中國有色金屬學(xué)會資深常務(wù)理事，《材料工程》雜志原主編（現(xiàn)為編委會名譽(yù)主任）等。

編者按

“一代材料，一代飛機(jī)”，是世界航空發(fā)展史的真實(shí)寫照。100多年來，材料與飛機(jī)相互依賴、相互推動發(fā)展。鈦合金因具有優(yōu)異性能而在眾多航空新材料中脫穎而出，本刊記者近日就鈦合金的發(fā)展及應(yīng)用情況采訪了中國鈦合金研究和應(yīng)用的創(chuàng)始人之一 ——中國科學(xué)院院士曹春曉。

記者：C919的起飛實(shí)現(xiàn)了我國的大飛機(jī)夢，我國大飛機(jī)的發(fā)展進(jìn)入快車道，請您跟我們介紹一下飛機(jī)機(jī)體材料的發(fā)展歷史。

曹院士：材料演變的過程也是飛機(jī)不斷發(fā)展的過程，隨著飛機(jī)的飛行速度和高度不斷提高，對機(jī)體材料的要求也逐漸提高。飛機(jī)機(jī)體上使用的主要材料經(jīng)歷了五個階段。第一階段始于100多年前，機(jī)體材料最開始采用的是木布結(jié)構(gòu)，是用木頭和布做成的材料，其中夾帶一些鋼絲。第二階段始于20世紀(jì)初，因木布結(jié)構(gòu)無法承受較快的飛行速度，機(jī)體材料變更為金屬材料，鋁和鋼結(jié)構(gòu)能耐一定溫度而被大量應(yīng)用。第三階段是自20世紀(jì)50年代開始，超音速飛機(jī)出現(xiàn)，要求材料的比強(qiáng)度更高，重量更輕，鈦合金與其他材料相比具有更高的比強(qiáng)度，此外，鈦合金在中溫（600℃以下）時與鋁合金相比能更好地保持其強(qiáng)度，自此鈦合金開始進(jìn)入飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料。第四階段是從20世紀(jì)七八十年代開始，復(fù)合材料因具有更高的比強(qiáng)度，逐漸在機(jī)體上應(yīng)用，但最開始只是少量使用，鋁合金等材料的用量仍然最大。第五階段是自21世紀(jì)初至今，復(fù)合材料逐漸成為首席材料的階段，同樣還是這4種材料，但復(fù)合材料的用量最大，所占比例超過50%甚至70%～80%。表1展示了復(fù)合材料用量占首席的代表性飛機(jī)型號，可以看出，X-45B上的復(fù)合材料用量達(dá)到90%，占有絕對優(yōu)勢。

表1 復(fù)合材料用量占首席的代表性飛機(jī)

表2 國內(nèi)外飛機(jī)上鈦合金用量統(tǒng)計(jì)表

記者：航空發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)動力裝置，是航空工業(yè)中技術(shù)含量最高、難度最大的部件之一，航空發(fā)動機(jī)上都應(yīng)用了哪些材料？

曹院士：航空發(fā)動機(jī)要求金屬結(jié)構(gòu)材料具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中最高的性能要求，研究人員先后將鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金（鎳基）、復(fù)合材料等用于發(fā)動機(jī)上。目前發(fā)動機(jī)上材料用量排在前三位的分別是鎳基高溫合金、鈦合金和鋼。

高溫合金是為了滿足現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)對材料的苛刻要求而研制的，能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長期工作，至今已成為航空發(fā)動機(jī)熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。目前，在先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)中，高溫合金用量所占比例已高達(dá)50%以上。鈦合金能耐600℃以下溫度，比強(qiáng)度高于鋁合金和結(jié)構(gòu)鋼，且具有良好的耐腐蝕性，因而在發(fā)動機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。鋁合金因耐高溫性能較差，抗腐蝕性能不好，而用量較少。復(fù)合材料只能在300℃以下的溫度使用，限制了其在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用。

復(fù)合材料、鈦合金、鋁合金、鋼和高溫合金是飛機(jī)及發(fā)動機(jī)的五大候選材料，它們一直在競爭中互相促進(jìn)，優(yōu)勢互補(bǔ)，不斷發(fā)展。雖然，復(fù)合材料和鈦合金在比強(qiáng)度、抗腐蝕性能等方面具有優(yōu)勢，但鋁合金和鋼在工藝性能及經(jīng)濟(jì)性能等方面具有優(yōu)勢，高溫合金則在航空發(fā)動機(jī)上占有公認(rèn)的首要地位。還必須指出的是，鋁合金和鋼一直在努力發(fā)展新的高性能新品種而不斷提高其競爭力。因此，目前總的趨勢是復(fù)合材料和鈦合金應(yīng)用逐漸增加，但鋁合金和鋼依然是不可或缺的重要航空材料。

記者：近年來，航空領(lǐng)域的發(fā)展開始拉動鈦材料用量的增長，請您談?wù)勨伜辖鹁哂心男﹥?yōu)勢？

曹院士：鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好等優(yōu)勢，而且能夠進(jìn)行各種方式的零件成型、焊接和機(jī)械加工，因而在先進(jìn)飛機(jī)和發(fā)動機(jī)上獲得了廣泛應(yīng)用。

當(dāng)今，鈦合金用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的百分比已成為衡量飛機(jī)用材先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一，鈦合金在國內(nèi)外飛機(jī)上的用量也隨飛機(jī)設(shè)計(jì)和性能水平的提高而不斷增加。以前鈦合金的用量可能在百分之幾，多的能達(dá)到百分之十幾，如A380的鈦合金用量是8%，在國外投入航線里面的民用飛機(jī)中，鈦合金用量最多的是波音787，達(dá)到15%，俄羅斯正在研制的MS-21，預(yù)計(jì)鈦合金用量要達(dá)到25%，當(dāng)然這是一個可能性，猶待今后觀察。軍用飛機(jī)上的鈦合金用量多一些，因?yàn)楦⒅仫w機(jī)的作戰(zhàn)性能，對靈活性、速度、高度等性能要求較高，如F22的鈦合金用量達(dá)到40%左右，鈦合金成為該型號飛機(jī)用量最多的材料。

在我國，民航小飛機(jī)使用了少量鈦，到C919上升到8%，這個已經(jīng)跟美國的波音777相當(dāng)。另一個例子是我國的運(yùn)20，它的鈦合金用量跟美國的C17相當(dāng)，也是10%左右。為了更清晰地展現(xiàn)近年來鈦合金在飛機(jī)上使用的情況，將相關(guān)數(shù)據(jù)列于表2。

50多年來，在我與團(tuán)隊(duì)同事們的共同努力下，隨著材料和工藝的不斷改進(jìn)，鈦合金的最高使用溫度逐漸提高。

我們采用TC4鈦合金取代鋼制成渦噴6壓氣機(jī)葉片和盤，1966年首次通過長期試車，翻開了我國航空用鈦史的首頁，TC4的最高使用溫度為400℃，如圖1所示。繼TC4之后，我們又開發(fā)出TC11鈦合金，并將其用于渦噴13發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，其材料及工藝研究于1987年獲國家科技進(jìn)步一等獎，TC11的最高使用溫度為500℃，如圖2所示。圖3為采用TA12鈦合金制成的新型發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)盤、鼓筒及葉片，1998年其材料及工藝研究獲國家科技進(jìn)步二等獎，TA12的最高使用溫度為550℃。

隨著航空發(fā)動機(jī)推重比的提高，高壓壓氣機(jī)出口溫度升高，導(dǎo)致鈦合金的工作溫度不斷升高，單純采用固溶強(qiáng)化的鈦合金難以滿足600℃以上溫度環(huán)境對鈦合金蠕變抗力和強(qiáng)度的要求，有序強(qiáng)化的鈦–鋁系金屬間化合物因具有高比強(qiáng)度、比剛度、高蠕變抗力等而成為600℃以上溫度非常有使用潛力的候選材料。圖4為采用TD2合金制成的導(dǎo)風(fēng)板（上）和結(jié)合環(huán)（下），TD2合金屬于Ti3Al基金屬間化合物，最高使用溫度為650℃。

記者：我國鈦合金材料目前的發(fā)展趨勢如何？在其技術(shù)應(yīng)用發(fā)展過程中有何困難？

曹院士：我國鈦資源豐富，鈦材的生產(chǎn)已形成一定的規(guī)模，我們已經(jīng)對鈦開展了一些基礎(chǔ)性和應(yīng)用性的研究，但總的來說，還需要大力提高研究水平和產(chǎn)品等級。隨著國內(nèi)航空技術(shù)的發(fā)展，對輕量化和材料耐熱性的要求越來越高，鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛。

廣義的鈦合金包括傳統(tǒng)鈦合金、鈦鋁金屬間化合物和鈦基復(fù)合材料，可稱之為“三鈦”。當(dāng)前，總的發(fā)展趨勢是從傳統(tǒng)鈦合金獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷向“三鈦”鼎立逐漸過渡，這意味著鈦合金在飛機(jī)和航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，也必將促進(jìn)結(jié)構(gòu)重量的進(jìn)一步減輕和燃油消耗的進(jìn)一步降低。

鈦合金具有很多其他材料無法比擬的優(yōu)勢，但因?yàn)槠鋬r格較貴而大大限制了其應(yīng)用，如何優(yōu)化技術(shù)、降低成本，成為鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性關(guān)鍵問題。此外，鈦合金等航空材料存在的另一個主要問題是批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性，在批量生產(chǎn)時經(jīng)常會出現(xiàn)質(zhì)量問題，這主要是受生產(chǎn)管理及人為因素的影響。應(yīng)從以下幾方面著手解決以上問題。

第一，生產(chǎn)系統(tǒng)的大型化、自動化是海綿鈦工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，可以在一定程度上提高海綿鈦質(zhì)量、降低鈦成本。

第二，提高管理水平，操作過程中產(chǎn)生的很多問題有可能是管理不當(dāng)造成的，執(zhí)行不力、有令不行的現(xiàn)象十分常見，管理層應(yīng)增強(qiáng)責(zé)任意識，注重加強(qiáng)對操作人員的培訓(xùn)和管理。

第三，盡快推動熱加工的數(shù)控化，人的個體差異往往會帶來產(chǎn)品質(zhì)量的波動，在執(zhí)行工藝時選用計(jì)算機(jī)控制，質(zhì)量波動會比較小，不斷加強(qiáng)熱加工裝備和工藝的數(shù)控化是我們今后必須走的道路。當(dāng)然智能制造發(fā)展需要一個過程，絕不是一蹴而就的。

記者：節(jié)能減排的“綠色航空”是目前國內(nèi)外共同追求的目標(biāo)，隨著鈦材需求的大幅提升，鈦產(chǎn)業(yè)也面臨環(huán)境保護(hù)問題，請您結(jié)合鈦產(chǎn)業(yè)談?wù)勴憫?yīng)“綠色航空”的號召，應(yīng)從哪些方面著手？

曹院士：綠色航空從可持續(xù)發(fā)展的全新角度來審視航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，引導(dǎo)航空發(fā)展轉(zhuǎn)向服務(wù)、安全、綠色模式，主要包括推進(jìn)清潔生產(chǎn)、發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)等方面，其中推進(jìn)清潔生產(chǎn)又包括節(jié)能技術(shù)改造、優(yōu)化污染物管理、資源循環(huán)利用等幾方面。

就優(yōu)化污染物管理而言，可以選用輕質(zhì)材料來減少污染，因?yàn)檩p質(zhì)材料在降低整體結(jié)構(gòu)重量的同時，也能減少飛機(jī)消耗的燃油量，與此同時，飛行過程中廢氣排放量也會相應(yīng)降低，更有利于環(huán)保。而鈦合金的比強(qiáng)度要比鋼和鋁合金高，使用溫度要比復(fù)合材料和鋁合金高，耐腐蝕性要比鋼和鋁合金好，鈦合金等新型材料的使用，正是響應(yīng)“綠色航空”號召的技術(shù)應(yīng)用體現(xiàn)。與此同時，鈦是一種生物相容性好的金屬材料，也耐腐蝕，本身就是綠色材料。

要解決鈦合金生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染問題。長遠(yuǎn)來看，一定要實(shí)現(xiàn)綠色航空。習(xí)總書記提出，綠水青山就是金山銀山，因此不符合綠色航空要求的狀況必須徹底改變。但治理污染需要花大量經(jīng)費(fèi)和精力，徹底解決也需要一個過程。

記者：鈦既能應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，又能應(yīng)用于民用領(lǐng)域，請您談?wù)勨伜辖鹪谲娒耦I(lǐng)域的應(yīng)用情況。

曹院士：鈦的特性比較多，其產(chǎn)品是軍民兩用的，無論我國還是國外，鈦合金一般都先用在軍用領(lǐng)域，用了之后效果好就擴(kuò)展到民用領(lǐng)域。軍用和民用應(yīng)互相促進(jìn)、互相融合，目前，民航飛機(jī)和軍用飛機(jī)上都使用了鈦合金，鈦在建筑、汽車、海洋工程、醫(yī)療和體育用品等方面的應(yīng)用越來越多。

航空母艦上的殲擊機(jī)使用了較多鈦，就是因?yàn)殁伜辖鸬目购Ｋg性最好，鋁合金和不銹鋼都不如鈦合金。核潛艇上也大量使用了鈦合金，鈦合金的比強(qiáng)度高，在海底能承受住較大壓力。

在民用領(lǐng)域，鈦合金在化工上用得最多，開采石油時鉆井的鉆頭和石油運(yùn)輸管道都使用了很多鈦，可以抵抗海水和石油的腐蝕。鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、質(zhì)輕、生物相容性良好等優(yōu)勢，而在生物領(lǐng)域大放異彩，例如，3D打印的鈦合金被用于制作人工關(guān)節(jié)，鈦合金還被做成種植牙等植入人體。此外，鈦合金還被做成手表、電熱壺、保溫杯等多種制品，并已進(jìn)入市場。近日，一款全世界獨(dú)一無二的鈦結(jié)構(gòu)汽車亮相，驚艷四座，而其所用主要結(jié)構(gòu)材料正是鈦合金。鈦合金在民用領(lǐng)域的發(fā)展也正在駛?cè)肟燔嚨馈?/p>