曹春晓:让中国发动机首次用上钛合金

2012年11月23日 9:53 7070次浏览 来源:   分类: 钛资讯

  曹春晓,材料科学家、钛合金专家,中国科学院院士。1956年毕业于上海交通大学机械制造系金属压力加工专业,分配到中航工业航材院从事钛合金与应用工作。现为中航工业航材院研究员、博士生导师、学位评定委员会主席。他不断开创新型钛合金和钛—铝系金属间化合物及其制备技术,并创立高低温交替热变形、BRCT热处理等多项新工艺。1997年当选中国科学院院士。
  钛合金,是20世纪50年代才开始走向工业化生产的新材料。曹春晓及其科研团队经过半个多世纪的拼搏,先后谱写了中国航空材料领域以TC4、TC11、TA12、TD2为标志的四个重要篇章,其性能水平、生产工艺、流程及标准目前均已达到世界先进水平,当前正在书写以钛铝(TiAl)合金为标志的新篇章,并已取得重要进展。

  TC4——艰难起步
  1964年底,航材院钛合金研究室的领导和专业组长曹春晓思考怎样打开钛合金在我国航空工业应用的局面。曹春晓觉得,在发动机上应用钛合金可最大限度减轻结构重量,从而能更有效地减轻发动机结构重量和提高发动机的推重比。根据当时情况,航空用钛的突破口应该是采用最成熟的Ti-6Al-4V合金(我国牌号为TC4)取代钢制成涡喷6发动机的压气机转子叶片和盘。
  1965年,项目组用真空自耗电弧炉熔炼了一个直径140毫米的TC4合金铸锭,并在研究锻造和热处理工艺的基础上研制出组织和性能合格的棒材。接着,项目组研制成功首批涡喷6发动机第一级和第六级压气机转子叶片,在扩大试验阶段,研制出较大规格的TC4合金铸锭,锻成棒材后制成全面合格的涡喷6发动机第一级压气机转子叶片,装到第一级不锈钢压气机盘上,参加654号发动机长期试车。1966年,试车达到244小时,圆满达标。
  与此同时,TC4钛合金盘件研制项目组也取得重大进展。1969年制成装有TC4叶片和盘件的两台涡喷6A型发动机安装在同一架飞机上,完成了我国第一架有发动机用钛合金盘、叶片的飞机试飞任务。
  从1970年开始,涡喷6B型发动机在制造中选用TC4,并进行了小批量生产。之后,五六种航空发动机先后应用了TC4合金压气机叶片、盘。TC4合金产品的研制成功为我国钛工业的发展和在航空工业中的应用奠定了基础,起到了开路先锋的作用。

  TC11——大步前行
  1979年,国防部决定用歼8Ⅱ等新型歼击机装备空军,新型机所用涡喷13系列发动机需要一种耐热温度、拉伸强度比TC4高的TC11钛合金,用以制造第三至第八级压气机盘、转子叶片和第一至第七级静子叶片。在航空部领导的协调下,曹春晓很快成立了TC11材料、盘模锻件研制的联合课题组。
  曹春晓先配料熔炼一个中等尺度的TC11钛合金铸锭,开坯并反复镦拔成饼材,最后锻成涡喷13发动机第三和第六级压气机盘模锻件。很快突破了“模锻成形关”和“组织性能关”,模锻件的形状尺寸、金相组织、力学性能和超声波无损检验结果都达到了预期指标。打响第一炮后,紧接着课题组便正式启动大炉研制。课题组首先攻克了TC11合金铸锭的“熔炼关”,熔炼得到合格的大型TC11合金铸锭后,又采用高低温交替锻造新型工艺准确无误地进行了铸锭开坯、棒坯和饼(环)坯的锻造。这批饼(环)坯很快就完成了5台份涡喷13发动机第三至第八级压气机盘模锻件的研制,一些关键力学性能还超过国外水平。
  装上了TC11合金的涡喷13发动机通过了长期试车。之后,曹春晓又主持开展了以歼7减速伞舱梁为应用典型零件的TC11合金应用工作,首创了BRCT热处理工艺,使TC11合金变成了兼有“四高二低”(高温、高强度、高韧性、高刚性、低密度、低裂纹扩展速率)特性的钛合金。
  由于TC11具有优良的综合性能,且工程化应用比较成熟,自研发成功至今,大批量地应用于涡喷13发动机,推广应用到昆仑、涡扇9等发动机。

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