讓航空航天器輕裝上陣性能升級

航空航天是高技術、高投入、高風險、高回報和高牽引的領域。從C919國產大飛機成功商飛，到神舟號航天員乘組圓滿完成出艙活動，我國航空航天事業發展進入“快車道”。這些成就的取得，離不開新型材料，特別是輕質高強金屬基復合材料的廣泛應用。

相較傳統高溫合金，鈦基復合材料以陶瓷顆粒作為增強相，在同等體積下可減重40%以上，每年節省燃料數百萬噸，是實現航空航天高端裝備輕量化、提高裝備功效和技術性能的關鍵戰略新材料之一。其在航空、航天、民用高端裝備等領域的關鍵部件中有著巨大應用潛力。因此，研發低成本、高性能且技術自主可控的航空航天等高端裝備用耐熱高強鈦基復合材料十分關鍵。

中國科學院院士、上海交通大學教授張荻，上海交通大學研究員呂維潔帶領團隊，經過二十余年潛心研究，形成了耐熱高強鈦基復合材料的制備加工關鍵技術，實現關鍵技術自主可控。該材料在高溫環境下表現出的高穩定性和強度使得我國航空航天器能夠在極端苛刻的服役環境中穩定運行，為我國航空航天高端裝備發展提供有力支撐。2023年度上海科技獎日前頒發，“耐熱高強鈦基復合材料關鍵技術研發與應用”項目獲得2023年度上海市技術發明獎一等獎。

基礎研究筑牢創新根基

傳統鈦基復合材料通常采用外加法生產，存在成本高、基體和增強體之間界面結合性能差、界面反應嚴重、成材率低的問題。研究團隊創新性提出原位自生的學術思想和技術原型，利用傳統鈦合金的熔煉和熱成型設備簡捷、低成本制備出高性能鈦基復合材料，降低了該材料的工業化生產難度。但由于原位自生增強體在熔煉過程中形核與“長大”，因此，增強體的優化控制是關鍵難題。

呂維潔介紹：“增強體的優化控制就像人類培育孩子，通過優生生出一個身體底子棒的嬰兒，再經過優育進一步提升孩子的素質，成為國家的棟梁之材。”

團隊通過創新突破了多元多尺寸增強體形狀、尺寸、分布控制的困境；通過復合化技術，提升了傳統鈦合金的性能，使其能夠應對航空航天關重零部件面臨的更高溫度和沖擊載荷的挑戰，提高了航空航天裝備的性能和可靠性。呂維潔介紹，針對傳統鈦基復合材料存在的強塑性匹配不佳等問題，團隊專注機理研究，提出多元增強體有序分布與耦合強化方法，構建了新的力學模型，創制出航空航天用新一代輕質高強耐熱600℃～800℃鈦基復合材料，其在室溫和高溫條件下的各項性能指標均達到國內領跑、國際領先的水平。

精細加工實現社會效益

新材料對制備工藝提出了更高要求。非連續增強鈦基復合材料具有硬度高、彈性模量大、加工硬化嚴重等特性，這導致傳統的加工方法難以滿足材料精密成形的需求。在制備過程中，如要保證復合材料的性能穩定性，需要對制備工藝進行精細控制。

“解決這些問題，迫切需要開發先進精密成形技術，以應對鈦基復合材料的加工挑戰。”呂維潔說。

團隊針對鈦基復合材料復雜構件難以加工成形的問題，建立了動態再結晶誘發大塑性加工技術，并為航空航天重大裝備提供了千余套鈦基復合材料構件。

如今，先進金屬基復合材料已在航空航天應用，并向新能源、現代交通及船舶與海洋工程等多個領域逐步擴展，正從“貴族”材料向“平民化”發展。

一組數據體現了新材料發揮的巨大作用。在民用大型能源化工裝備領域，應用該新型復合材料后，在650℃環境下，離心式壓縮機葉輪線速度較之前提高40%、壓縮比提高33.3%，年節省能耗8%。在航空航天領域，新型復合材料在800℃的復雜應力環境下，使得先進裝備的轉動慣量大幅度降低，為裝備關鍵技術指標的實現提供了關鍵支撐。

目前，團隊獲得授權中國發明專利26項，制定企業標準5項，發表SCI論文100余篇。團隊還建立了國內領先的鈦基復合材料產業化基地——浙江嘉鈦金屬科技有限公司。該公司建立了熔煉、等溫鍛造、精密鑄造等產線，實現了大規格鑄錠、棒材、等溫鍛件、精密鑄件、寬幅厚板、薄板的工業化生產。