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(shí)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(jìn)的，沒有先進(jìn)的材料，就無法制造出先進(jìn)的裝備產(chǎn)品；而沒有裝備的需求，也無法促進(jìn)新型材料的研發(fā)。”

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(shí)，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(qiáng)度（強(qiáng)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(shí)不會(huì)出現(xiàn)與鋁接觸時(shí)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(diǎn)，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(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的60%以上，甚至達(dá)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(bǔ)其較差的抗蝕性和不夠理想的比強(qiáng)度等不足之處，鋁合金在飛機(jī)機(jī)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(diǎn)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(jī)（特別是民用飛機(jī)）制造的經(jīng)濟(jì)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(jī)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(qiáng)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(shí)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(huì)相應(yīng)上升。現(xiàn)在我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)強(qiáng)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(jī)上。強(qiáng)度更高的T700和T800我國已經(jīng)進(jìn)入試制階段，不久的未來就能夠進(jìn)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?yàn)樗麄冊谝恍┬阅苌鲜窍嗷パa(bǔ)充的。”曹春曉這樣總結(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(dá)到40%左右，彰顯出鈦合金應(yīng)用的廣闊前景。現(xiàn)在我國自行研發(fā)的軍用飛機(jī)上也已經(jīng)大量使用鈦合金，民機(jī)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(jì)制造的大飛機(jī)C919的設(shè)計(jì)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(dá)760～850℃，遠(yuǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于高溫鎳基合金的8.4左右。根據(jù)2011年世界鈦合金會(huì)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(dòng)機(jī)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(shí)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(dòng)機(jī)重量就能夠減輕45.5千克。波音787上裝配了兩臺GENx發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺發(fā)動(dòng)機(jī)上使用了兩級鈦鋁（TiAl）合金渦輪葉片，僅發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)上則裝配了4臺GENx發(fā)動(dòng)機(jī)，但每臺發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(jī)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(jì)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(jìn)入試用階段，航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪、高壓壓氣機(jī)等溫度超過600℃的運(yùn)行環(huán)境都是鈦鋁的用武之地。輕盈的鈦鋁合金在轉(zhuǎn)動(dòng)件方面的應(yīng)用前景將非常廣泛，在850℃以下的運(yùn)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(xiàng)。這一項(xiàng)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(xiàng)目中第一個(gè)以制造技術(shù)為研究重點(diǎn)的項(xiàng)目，其成果具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。

在主持完成這一項(xiàng)目后，為了鼓勵(lì)和促進(jìn)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(dòng)向，也同時(shí)著力推動(dòng)我國航空材料從研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品。現(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(dá)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(dòng)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(xì)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(yuǎn)未達(dá)到使用壽命時(shí)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(jìn)生產(chǎn)管理流程和自動(dòng)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(qiáng)調(diào)，航空裝備的發(fā)展，歸根結(jié)底要落實(shí)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(shí)輔以工作上的信任，鼓勵(lì)年輕人勇?lián)厝危偈顾麄冊趯W(xué)習(xí)和實(shí)踐中勤于思考、主動(dòng)思考，并善于運(yùn)用創(chuàng)新思維去發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，創(chuàng)造新技術(shù)。