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科學(xué)院院士曹春曉：讓中國發(fā)動(dòng)機(jī)首次用上鈦合金

發(fā)布時(shí)間：2015-03-03 15:59:06

鈦合金，是20世紀(jì)50年代才開始走向工業(yè)化生產(chǎn)的新材料。曹春曉及其科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的拼搏，先后譜寫了中國航空材料領(lǐng)域以TC4、 TC11、TA12、TD2為標(biāo)志的四個(gè)重要篇章，其性能水平、生產(chǎn)工藝、流程及標(biāo)準(zhǔn)目前均已達(dá)到世界先進(jìn)水平，當(dāng)前正在書寫以鈦鋁（TiAl）合金為標(biāo) 志的新篇章，并已取得重要進(jìn)展。

TC4——艱難起步

     1964年底，航材院鈦合金研究室的領(lǐng)導(dǎo)和專業(yè)組長曹春曉思考怎樣打開鈦合金在我國航空工業(yè)應(yīng)用的局面。曹春曉覺得，在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用鈦合 金可最大限度減輕結(jié)構(gòu)重量，從而能更有效地減輕發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量和提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。根據(jù)當(dāng)時(shí)情況，航空用鈦的突破口應(yīng)該是采用最成熟的Ti-6Al- 4V合金（我國牌號(hào)為TC4）取代鋼制成渦噴6發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和盤。

     1965年，項(xiàng)目組用真空自耗電弧爐熔煉了一個(gè)直徑140毫米的TC4合金鑄錠，并在研究鍛造和熱處理工藝的基礎(chǔ)上研制出組織和性能合格的棒材。接著，項(xiàng) 目組研制成功首批渦噴6發(fā)動(dòng)機(jī)第一級(jí)和第六級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，在擴(kuò)大試驗(yàn)階段，研制出較大規(guī)格的TC4合金鑄錠，鍛成棒材后制成全面合格的渦噴6發(fā)動(dòng)機(jī)第 一級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，裝到第一級(jí)不銹鋼壓氣機(jī)盤上，參加654號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)長期試車。1966年，試車達(dá)到244小時(shí)，圓滿達(dá)標(biāo)。

     與此同時(shí)，TC4鈦合金盤件研制項(xiàng)目組也取得重大進(jìn)展。1969年制成裝有TC4葉片和盤件的兩臺(tái)渦噴6A型發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在同一架飛機(jī)上，完成了我國第一架有發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金盤、葉片的飛機(jī)試飛任務(wù)。

     從1970年開始，渦噴6B型發(fā)動(dòng)機(jī)在制造中選用TC4，并進(jìn)行了小批量生產(chǎn)。之后，五六種航空發(fā)動(dòng)機(jī)先后應(yīng)用了TC4合金壓氣機(jī)葉片、盤。TC4合金產(chǎn)品的研制成功為我國鈦工業(yè)的發(fā)展和在航空工業(yè)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，起到了開路先鋒的作用。

TC11——大步前行

     1979年，國防部決定用殲8Ⅱ等新型殲擊機(jī)裝備空軍，新型機(jī)所用渦噴13系列發(fā)動(dòng)機(jī)需要一種耐熱溫度、拉伸強(qiáng)度比TC4高的TC11鈦合金，用以制造第三至第八級(jí)壓氣機(jī)盤、轉(zhuǎn)子葉片和第一至第七級(jí)靜子葉片。在航空部領(lǐng)導(dǎo)的協(xié)調(diào)下，曹春曉很快成立了TC11材料、盤模鍛件研制的聯(lián)合課題組。

     曹春曉先配料熔煉一個(gè)中等尺度的TC11鈦合金鑄錠，開坯并反復(fù)鐓拔成餅材，最后鍛成渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)第三和第六級(jí)壓氣機(jī)盤模鍛件。很快突破了“模鍛成形 關(guān)”和“組織性能關(guān)”，模鍛件的形狀尺寸、金相組織、力學(xué)性能和超聲波無損檢驗(yàn)結(jié)果都達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。打響第一炮后，緊接著課題組便正式啟動(dòng)大爐研制。課 題組首先攻克了TC11合金鑄錠的“熔煉關(guān)”，熔煉得到合格的大型TC11合金鑄錠后，又采用高低溫交替鍛造新型工藝準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行了鑄錠開坯、棒坯和餅 （環(huán)）坯的鍛造。這批餅（環(huán)）坯很快就完成了5臺(tái)份渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)第三至第八級(jí)壓氣機(jī)盤模鍛件的研制，一些關(guān)鍵力學(xué)性能還超過國外水平。

     裝上了TC11合金的渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)通過了長期試車。之后，曹春曉又主持開展了以殲7減速傘艙梁為應(yīng)用典型零件的TC11合金應(yīng)用工作，首創(chuàng)了BRCT熱 處理工藝，使TC11合金變成了兼有“四高二低”（高溫、高強(qiáng)度、高韌性、高剛性、低密度、低裂紋擴(kuò)展速率）特性的鈦合金。

     由于TC11具有優(yōu)良的綜合性能，且工程化應(yīng)用比較成熟，自研發(fā)成功至今，大批量地應(yīng)用于渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)，推廣應(yīng)用到昆侖、渦扇9等發(fā)動(dòng)機(jī)。

TD2——瞄準(zhǔn)國際

     鈦合金雖已在航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但是最高使用溫度還只限于600℃。曹春曉獲悉國外正在研制一種使用溫度可達(dá)650～700℃的金屬間化合物，立即向國家提出Ti3Al的立項(xiàng)申請(qǐng)報(bào)告并成功獲批。

     在制備鑄錠時(shí)，曹春曉創(chuàng)立了CS新型熔煉工藝，提高了成分均勻性和鍛件的室溫拉伸塑性。在獲得了優(yōu)質(zhì)的TD2合金鑄錠后，為解決鍛造和熱處理方面的難題， 曹春曉提出了逐漸降溫?zé)嶙冃喂に嚺c高低溫交替熱變形工藝相結(jié)合的可避免鑄錠鍛裂和優(yōu)化金相組織的鍛造技術(shù)以及可優(yōu)化性能匹配的α+β區(qū)三重?zé)崽幚砑夹g(shù),從 而很快研制出了性能優(yōu)良的TD2合金棒材，并與安大合作，軋出了性能良好的外徑尺寸達(dá)656毫米的環(huán)形構(gòu)件。

     課題組選擇渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)風(fēng)板和二級(jí)渦輪結(jié)合環(huán)這兩個(gè)典型零件作為應(yīng)用研究的對(duì)象，采用TD2合金取代GH4033鎳基高溫合金并獲得成功，使用了 TD2合金構(gòu)件的渦噴13AⅡ的發(fā)動(dòng)機(jī)成功地進(jìn)行了地面臺(tái)架試車。這是我國金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行試車的首例，也是國際上Ti3Al基合金轉(zhuǎn)子零件進(jìn)入 航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車階段的首例。 

鈦鋁（TiAl）合金——奔向未來

     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℃。 GE已經(jīng)將鈦鋁合金應(yīng)用于最新的GENx發(fā)動(dòng)機(jī)上。每使用一級(jí)鈦鋁合金渦輪葉片，發(fā)動(dòng)機(jī)就能夠減輕45.5千克。波音787上裝配了兩臺(tái)GENx發(fā)動(dòng)機(jī)， 每臺(tái)使用了兩級(jí)鈦鋁（TiAl）合金渦輪葉片，僅發(fā)動(dòng)機(jī)本身，鈦鋁合金就減輕了182千克；波音747-8則裝配了4臺(tái)GENx發(fā)動(dòng)機(jī)，但每臺(tái)只用了一級(jí) 鈦鋁（TiAl）合金渦輪葉片，減輕的重量也為182千克左右。

     鈦鋁合金之所以現(xiàn)在才剛剛開始服務(wù)于大型客機(jī)，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技術(shù)問題。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。

     從TC4到鈦鋁（TiAl）合金，航空鈦合金的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)從無到有、從模仿到創(chuàng)新的輝煌歷程。隨著我國航空事業(yè)的發(fā)展，航空鈦合金也必將發(fā)揮越來越大的作用。