天遼海闊 “鈦”造神奇
——訪中國科學院院士曹春曉

◎ 文 / 李 臻

曹春曉

中國科學院院士，材料科學家、鈦合金專家，中國鈦合金研究和應用的創(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、博士生導師、學位評定委員會主席，南昌航空大學教授和原學術委員會主任（現(xiàn)為名譽主任），國家大型飛機重大專項專家咨詢委員會委員， 中國有色金屬學會資深常務理事，《材料工程》雜志原主編（現(xiàn)為編委會名譽主任）等。

編者按

“一代材料，一代飛機”，是世界航空發(fā)展史的真實寫照。100多年來，材料與飛機相互依賴、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)展及應用情況采訪了中國鈦合金研究和應用的創(chuàng)始人之一 ——中國科學院院士曹春曉。

記者：C919的起飛實現(xiàn)了我國的大飛機夢，我國大飛機的發(fā)展進入快車道，請您跟我們介紹一下飛機機體材料的發(fā)展歷史。

曹院士：材料演變的過程也是飛機不斷發(fā)展的過程，隨著飛機的飛行速度和高度不斷提高，對機體材料的要求也逐漸提高。飛機機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，機體材料最開始采用的是木布結構，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世紀初，因木布結構無法承受較快的飛行速度，機體材料變更為金屬材料，鋁和鋼結構能耐一定溫度而被大量應用。第三階段是自20世紀50年代開始，超音速飛機出現(xiàn)，要求材料的比強度更高，重量更輕，鈦合金與其他材料相比具有更高的比強度，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度，自此鈦合金開始進入飛機的結構材料。第四階段是從20世紀七八十年代開始，復合材料因具有更高的比強度，逐漸在機體上應用，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世紀初至今，復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展示了復合材料用量占首席的代表性飛機型號，可以看出，X-45B上的復合材料用量達到90%，占有絕對優(yōu)勢。

表1 復合材料用量占首席的代表性飛機

表2 國內外飛機上鈦合金用量統(tǒng)計表

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

曹院士：航空發(fā)動機要求金屬結構材料具備輕質、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結構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）、復合材料等用于發(fā)動機上。目前發(fā)動機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)動機對材料的苛刻要求而研制的，能夠在600℃以上及一定應力條件下長期工作，至今已成為航空發(fā)動機熱端部件不可替代的一類關鍵材料。目前，在先進的航空發(fā)動機中，高溫合金用量所占比例已高達50%以上。鈦合金能耐600℃以下溫度，比強度高于鋁合金和結構鋼，且具有良好的耐腐蝕性，因而在發(fā)動機上得到了廣泛應用。鋁合金因耐高溫性能較差，抗腐蝕性能不好，而用量較少。復合材料只能在300℃以下的溫度使用，限制了其在發(fā)動機上的應用。

復合材料、鈦合金、鋁合金、鋼和高溫合金是飛機及發(fā)動機的五大候選材料，它們一直在競爭中互相促進，優(yōu)勢互補，不斷發(fā)展。雖然，復合材料和鈦合金在比強度、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)濟性能等方面具有優(yōu)勢，高溫合金則在航空發(fā)動機上占有公認的首要地位。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，目前總的趨勢是復合材料和鈦合金應用逐漸增加，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，航空領域的發(fā)展開始拉動鈦材料用量的增長，請您談談鈦合金具有哪些優(yōu)勢？

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

當今，鈦合金用量占飛機結構質量的百分比已成為衡量飛機用材先進程度的重要標志之一，鈦合金在國內外飛機上的用量也隨飛機設計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中，鈦合金用量最多的是波音787，達到15%，俄羅斯正在研制的MS-21，預計鈦合金用量要達到25%，當然這是一個可能性，猶待今后觀察。軍用飛機上的鈦合金用量多一些，因為更注重飛機的作戰(zhàn)性能，對靈活性、速度、高度等性能要求較高，如F22的鈦合金用量達到40%左右，鈦合金成為該型號飛機用量最多的材料。

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

50多年來，在我與團隊同事們的共同努力下，隨著材料和工藝的不斷改進，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)動機壓氣機轉子，其材料及工藝研究于1987年獲國家科技進步一等獎，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)動機壓氣機盤、鼓筒及葉片，1998年其材料及工藝研究獲國家科技進步二等獎，TA12的最高使用溫度為550℃。

隨著航空發(fā)動機推重比的提高，高壓壓氣機出口溫度升高，導致鈦合金的工作溫度不斷升高，單純采用固溶強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度的要求，有序強化的鈦–鋁系金屬間化合物因具有高比強度、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合金制成的導風板（上）和結合環(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？在其技術應用發(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性和應用性的研究，但總的來說，還需要大力提高研究水平和產(chǎn)品等級。隨著國內航空技術的發(fā)展，對輕量化和材料耐熱性的要求越來越高，鈦合金在航空領域的應用將越來越廣泛。

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合材料，可稱之為“三鈦”。當前，總的發(fā)展趨勢是從傳統(tǒng)鈦合金獨領風騷向“三鈦”鼎立逐漸過渡，這意味著鈦合金在飛機和航空發(fā)動機上的應用范圍將進一步擴大，也必將促進結構重量的進一步減輕和燃油消耗的進一步降低。

鈦合金具有很多其他材料無法比擬的優(yōu)勢，但因為其價格較貴而大大限制了其應用，如何優(yōu)化技術、降低成本，成為鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性關鍵問題。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)質量問題，這主要是受生產(chǎn)管理及人為因素的影響。應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造成的，執(zhí)行不力、有令不行的現(xiàn)象十分常見，管理層應增強責任意識，注重加強對操作人員的培訓和管理。

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)品質量的波動，在執(zhí)行工藝時選用計算機控制，質量波動會比較小，不斷加強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”是目前國內外共同追求的目標，隨著鈦材需求的大幅提升，鈦產(chǎn)業(yè)也面臨環(huán)境保護問題，請您結合鈦產(chǎn)業(yè)談談響應“綠色航空”的號召，應從哪些方面著手？

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，引導航空發(fā)展轉向服務、安全、綠色模式，主要包括推進清潔生產(chǎn)、發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)等方面，其中推進清潔生產(chǎn)又包括節(jié)能技術改造、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，可以選用輕質材料來減少污染，因為輕質材料在降低整體結構重量的同時，也能減少飛機消耗的燃油量，與此同時，飛行過程中廢氣排放量也會相應降低，更有利于環(huán)保。而鈦合金的比強度要比鋼和鋁合金高，使用溫度要比復合材料和鋁合金高，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“綠色航空”號召的技術應用體現(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。長遠來看，一定要實現(xiàn)綠色航空。習總書記提出，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)費和精力，徹底解決也需要一個過程。

記者：鈦既能應用在軍事領域，又能應用于民用領域，請您談談鈦合金在軍民領域的應用情況。

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域，用了之后效果好就擴展到民用領域。軍用和民用應互相促進、互相融合，目前，民航飛機和軍用飛機上都使用了鈦合金，鈦在建筑、汽車、海洋工程、醫(yī)療和體育用品等方面的應用越來越多。

航空母艦上的殲擊機使用了較多鈦，就是因為鈦合金的抗海水腐蝕性最好，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，鈦合金的比強度高，在海底能承受住較大壓力。

在民用領域，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。鈦合金因具有比強度高、耐腐蝕、質輕、生物相容性良好等優(yōu)勢，而在生物領域大放異彩，例如，3D打印的鈦合金被用于制作人工關節(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，并已進入市場。近日，一款全世界獨一無二的鈦結構汽車亮相，驚艷四座，而其所用主要結構材料正是鈦合金。鈦合金在民用領域的發(fā)展也正在駛入快車道。