科學院院士曹春曉：讓中國發動機首次用上鈦合金
發布時間：2015-03-03 15:59:06
鈦合金，是20世紀50年代才開始走向工業化生產的新材料。曹春曉及其科研團隊經過半個多世紀的拼搏，先后譜寫了中國航空材料領域以TC4、 TC11、TA12、TD2為標志的四個重要篇章，其性能水平、生產工藝、流程及標準目前均已達到世界先進水平，當前正在書寫以鈦鋁（TiAl）合金為標 志的新篇章，并已取得重要進展。
TC4——艱難起步
1964年底，航材院鈦合金研究室的領導和專業組長曹春曉思考怎樣打開鈦合金在我國航空工業應用的局面。曹春曉覺得，在發動機上應用鈦合 金可最大限度減輕結構重量，從而能更有效地減輕發動機結構重量和提高發動機的推重比。根據當時情況，航空用鈦的突破口應該是采用最成熟的Ti-6Al- 4V合金（我國牌號為TC4）取代鋼制成渦噴6發動機的壓氣機轉子葉片和盤。
1965年，項目組用真空自耗電弧爐熔煉了一個直徑140毫米的TC4合金鑄錠，并在研究鍛造和熱處理工藝的基礎上研制出組織和性能合格的棒材。接著，項 目組研制成功首批渦噴6發動機第一級和第六級壓氣機轉子葉片，在擴大試驗階段，研制出較大規格的TC4合金鑄錠，鍛成棒材后制成全面合格的渦噴6發動機第 一級壓氣機轉子葉片，裝到第一級不銹鋼壓氣機盤上，參加654號發動機長期試車。1966年，試車達到244小時，圓滿達標。
與此同時，TC4鈦合金盤件研制項目組也取得重大進展。1969年制成裝有TC4葉片和盤件的兩臺渦噴6A型發動機安裝在同一架飛機上，完成了我國第一架有發動機用鈦合金盤、葉片的飛機試飛任務。
從1970年開始，渦噴6B型發動機在制造中選用TC4，并進行了小批量生產。之后，五六種航空發動機先后應用了TC4合金壓氣機葉片、盤。TC4合金產品的研制成功為我國鈦工業的發展和在航空工業中的應用奠定了基礎，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等新型殲擊機裝備空軍，新型機所用渦噴13系列發動機需要一種耐熱溫度、拉伸強度比TC4高的TC11鈦合金，用以制造第三至第八級壓氣機盤、轉子葉片和第一至第七級靜子葉片。在航空部領導的協調下，曹春曉很快成立了TC11材料、盤模鍛件研制的聯合課題組。
曹春曉先配料熔煉一個中等尺度的TC11鈦合金鑄錠，開坯并反復鐓拔成餅材，最后鍛成渦噴13發動機第三和第六級壓氣機盤模鍛件。很快突破了“模鍛成形 關”和“組織性能關”，模鍛件的形狀尺寸、金相組織、力學性能和超聲波無損檢驗結果都達到了預期指標。打響第一炮后，緊接著課題組便正式啟動大爐研制。課 題組首先攻克了TC11合金鑄錠的“熔煉關”，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確無誤地進行了鑄錠開坯、棒坯和餅 （環）坯的鍛造。這批餅（環）坯很快就完成了5臺份渦噴13發動機第三至第八級壓氣機盤模鍛件的研制，一些關鍵力學性能還超過國外水平。
裝上了TC11合金的渦噴13發動機通過了長期試車。之后，曹春曉又主持開展了以殲7減速傘艙梁為應用典型零件的TC11合金應用工作，首創了BRCT熱 處理工藝，使TC11合金變成了兼有“四高二低”（高溫、高強度、高韌性、高剛性、低密度、低裂紋擴展速率）特性的鈦合金。
由于TC11具有優良的綜合性能，且工程化應用比較成熟，自研發成功至今，大批量地應用于渦噴13發動機，推廣應用到昆侖、渦扇9等發動機。
TD2——瞄準國際
鈦合金雖已在航空領域得到了廣泛應用，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650～700℃的金屬間化合物，立即向國家提出Ti3Al的立項申請報告并成功獲批。
在制備鑄錠時，曹春曉創立了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。在獲得了優質的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熱變形工藝與高低溫交替熱變形工藝相結合的可避免鑄錠鍛裂和優化金相組織的鍛造技術以及可優化性能匹配的α+β區三重熱處理技術,從 而很快研制出了性能優良的TD2合金棒材，并與安大合作，軋出了性能良好的外徑尺寸達656毫米的環形構件。
課題組選擇渦噴13發動機渦輪導風板和二級渦輪結合環這兩個典型零件作為應用研究的對象，采用TD2合金取代GH4033鎳基高溫合金并獲得成功，使用了 TD2合金構件的渦噴13AⅡ的發動機成功地進行了地面臺架試車。這是我國金屬間化合物結構材料進行試車的首例，也是國際上Ti3Al基合金轉子零件進入 航空發動機試車階段的首例。
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760~850℃，遠高于普通鈦合金的600℃和Ti3Al合金的700℃。 GE已經將鈦鋁合金應用于最新的GENx發動機上。每使用一級鈦鋁合金渦輪葉片，發動機就能夠減輕45.5千克。波音787上裝配了兩臺GENx發動機， 每臺使用了兩級鈦鋁（TiAl）合金渦輪葉片，僅發動機本身，鈦鋁合金就減輕了182千克；波音747-8則裝配了4臺GENx發動機，但每臺只用了一級 鈦鋁（TiAl）合金渦輪葉片，減輕的重量也為182千克左右。
鈦鋁合金之所以現在才剛剛開始服務于大型客機，很大一部分原因在于鈦鋁的延展性和韌性較差，脆性大，加工和設計使用方面要解決很多技術問題。曹春曉認為， 一旦這些難關得到攻克，樂觀看來，5年左右鈦鋁合金即可以進入試用階段，航空發動機低壓渦輪、高壓壓氣機等溫度超過600℃的運行環境都是鈦鋁的用武之 地。輕盈的鈦鋁合金在轉動件方面的應用前景將非常廣泛，在850℃以下的運行環境中，傳統的、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，航空鈦合金的發展經歷了一個從無到有、從模仿到創新的輝煌歷程。隨著我國航空事業的發展，航空鈦合金也必將發揮越來越大的作用。
