風(fēng)雨兼程六十載
碩果累累報(bào)祖國(guó)
1956年，22歲的曹春曉從上海交通大學(xué)金屬壓力加工專業(yè)畢業(yè)后來(lái)到了航材院工作，適逢當(dāng)年航材院正在籌建日后在航空領(lǐng)域大顯身手的中國(guó)第一個(gè)航空鈦合金試驗(yàn)室，曹春曉有幸成為其中的一員，并由此走進(jìn)了一個(gè)神秘而又嶄新的世界，實(shí)現(xiàn)他獻(xiàn)身于國(guó)防科技事業(yè)的夙愿。
在現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷程中，航空材料一直扮演著先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用，“一代材料，一代裝備”。隨著美國(guó)普惠公司首次研制出的鈦合金葉片被成功的應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，具有優(yōu)異特性的鈦合金在各種航空結(jié)構(gòu)材料中的使用比率也不斷上升，并逐步成為現(xiàn)代航空器不可或缺的材料，盡快將鈦合金應(yīng)用到飛機(jī)制造業(yè)，也是我國(guó)航空發(fā)展史中必不可少的環(huán)節(jié)。
1965年，曹春曉肩負(fù)課題負(fù)責(zé)人的重任，選擇TC4鈦合金為突破口，創(chuàng)造性地解決了各種技術(shù)難題，曹春曉團(tuán)隊(duì)終于研制出來(lái)由鈦合金制成的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。
1966年，我國(guó)第一臺(tái)裝上鈦合金葉片的航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)成功，掀開(kāi)了我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦史的第一頁(yè)，實(shí)現(xiàn)了零的突破。此后的十幾年中，在曹春曉與其他科技人員繼續(xù)努力與推動(dòng)下，將TC4鈦合金葉片和壓氣機(jī)盤(pán)擴(kuò)大到五六種機(jī)型之中，取代原來(lái)笨重的鋼葉片和鋼盤(pán)，顯著地減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)重量，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，為我國(guó)空軍裝備的現(xiàn)代化作出了重要貢獻(xiàn)。技術(shù)鑒定會(huì)為其作出了中肯的鑒定：“TC4合金產(chǎn)品的組織性能達(dá)到了國(guó)際及美國(guó)宇航材料標(biāo)準(zhǔn)，它的研究成功為我國(guó)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(kāi)路先鋒的作用。”
1979 年，我國(guó)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(pán)、轉(zhuǎn)子葉片和第一至第七級(jí)靜子葉片。由于研制難度大，冶金部和航空部一度考慮花500萬(wàn)美元從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)。曹春曉得知后，決定率領(lǐng)航空部?jī)?nèi)外的同仁展開(kāi)了攻堅(jiān)戰(zhàn)，研發(fā)我們國(guó)家自己的鈦合金。鈦合金大型模鍛件及其坯料的金相組織很不均勻是長(zhǎng)期未能解決的“老大難”問(wèn)題，他十分清楚，他們的研究對(duì)于新中國(guó)的軍事、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，具有重要的戰(zhàn)略意義。記不清在多少個(gè)廢寢忘食的日日夜夜之后，曹春曉創(chuàng)造性地提出了一種高低溫交替的新型鍛造工藝，能顯著改善大鍛件內(nèi)部組織性能的均勻性和穩(wěn)定性。
裝上了TC11合金的渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)按計(jì)劃順利通過(guò)了長(zhǎng)期試車(chē)。由于TC11鈦合金具有優(yōu)良的綜合性能，且工程化生產(chǎn)應(yīng)用方面比較成熟，自研發(fā)成功至今，不僅大批量地應(yīng)用于渦噴13發(fā)動(dòng)機(jī)，而且推廣應(yīng)用到昆侖、渦扇9等發(fā)動(dòng)機(jī)，成為我國(guó)軍工系統(tǒng)用量最大的一種鈦合金。該成果獲得了1987年國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（他是第一完成人）。
之后，曹春曉又主持開(kāi)展了以殲7型機(jī)減速傘艙梁為應(yīng)用典型零件的TC11合金應(yīng)用研究工作，與團(tuán)隊(duì)成員一起首創(chuàng)了BRCT熱處理工藝，使TC11合金變成了獨(dú)樹(shù)一幟的兼有“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。該成果獲得了1995年度國(guó)家發(fā)明三等獎(jiǎng)（他是第一發(fā)明人）。
1986年開(kāi)始，為進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，迫切需要研制和應(yīng)用一種能耐更高溫度的新型鈦合金。于是曹春曉作為“550℃高溫鈦合金的應(yīng)用研究”這一重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，率領(lǐng)跨部門(mén)的大型聯(lián)合課題組，突破了八大關(guān)鍵技術(shù)，圓滿地完成了預(yù)定任務(wù)，通過(guò)了部級(jí)鑒定。鑒定委員會(huì)認(rèn)為：“Ti-55合金是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的含稀土元素釹的550℃高溫鈦合金，該合金在某新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)、葉片和鼓筒上的成功應(yīng)用，標(biāo)志著我國(guó)高溫鈦合金的應(yīng)用達(dá)到了新水平，形成了由TC4、TC11、Ti-55組成的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用主要鈦合金系列”，“在率先應(yīng)用含釹新型鈦合金以及急冷式β模鍛、三重式α+β熱處理等關(guān)鍵技術(shù)方面具有創(chuàng)新性”。該項(xiàng)目于1998年獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
此后，始終關(guān)注科技前沿的曹春曉獲悉國(guó)外有人正在研制一種使用溫度可達(dá)650℃~700℃的金屬間化合物Ti3Al后，隨即提出立項(xiàng)論證報(bào)告，被列入國(guó)家“863”高科技項(xiàng)目。他率領(lǐng)課題組創(chuàng)造性地采用了具有我國(guó)自己特色的熔煉、鍛造和熱處理工藝（其中新型均勻化熔煉技術(shù)已獲國(guó)家發(fā)明專利，他是第一發(fā)明人），突破了“室溫脆性”等技術(shù)難關(guān)，成功地研制出了我國(guó)第一批Ti3Al合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件。1990年底，他為此獲國(guó)家科委工業(yè)技術(shù)司和國(guó)家高技術(shù)新材料領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會(huì)授予的“重要貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”。他為把這一高風(fēng)險(xiǎn)的“革命性”材料推向?qū)嵱没鞒鲂碌呐ΑＴ诖罅啃阅軘?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，一臺(tái)裝有Ti3Al合金（TD2）零件的航空發(fā)動(dòng)機(jī)首次試車(chē)成功，在整個(gè)金屬間化合物領(lǐng)域中起到了示范帶頭作用。在1996年評(píng)審驗(yàn)收中被國(guó)防科工委和中國(guó)航空工業(yè)總公司專家組評(píng)為A級(jí)。部級(jí)鑒定意見(jiàn)中指出：“TD2合金工藝及性能穩(wěn)定，拉伸強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性、沖擊韌性等關(guān)鍵性能優(yōu)于美國(guó)同類合金（超α2合金），在均勻化熔鑄工藝等實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)、性能系統(tǒng)研究以及Ti3Al基合金轉(zhuǎn)子零件率先地面臺(tái)架試車(chē)等方面居國(guó)際領(lǐng)先地位。”
其后，他與課題組同志一起，又研究成功一種綜合性能更優(yōu)的新一代Ti3Al合金（TD3），并在生產(chǎn)條件下研制出我國(guó)迄今為止最大的Ti3Al合金鍛件。與此同時(shí)，他還在積極研究可在750℃~850℃下長(zhǎng)期工作的TiAl合金，已取得重要進(jìn)展。
在學(xué)術(shù)理論上曹春曉也頗有建樹(shù)。他先后發(fā)表論文200余篇，在國(guó)內(nèi)外鈦學(xué)術(shù)界頗有影響。1978年他從英國(guó)考察鈦合金回來(lái)，主導(dǎo)撰寫(xiě)了10.25萬(wàn)字的考察報(bào)告，受到了各有關(guān)廠、所、院、校的廣泛好評(píng)。1980年他赴日本，在第四屆鈦國(guó)際會(huì)議上發(fā)表了題為“β轉(zhuǎn)變組織形態(tài)等組織特征對(duì)Ti-6Al-4V合金力學(xué)性能的影響”的論文，在當(dāng)時(shí)科技界普遍偏重控制鈦合金等軸初生α含量的情況下，他闡明了β轉(zhuǎn)變組織形態(tài)對(duì)力學(xué)性能起關(guān)鍵作用的獨(dú)到見(jiàn)解，引起了各國(guó)學(xué)者的廣泛重視。他參與編寫(xiě)的《鍛件質(zhì)量分析》一書(shū)獲1983年全國(guó)優(yōu)秀科技圖書(shū)二等獎(jiǎng)。他先后圍繞鈦合金β脆性形成和消失的塑變條件、高低溫交替熱變形技術(shù)基本原理、各類顯微組織的形成和變化規(guī)律、疲勞與斷裂行為及其特征、釹在鈦合金中的存在形態(tài)和強(qiáng)化機(jī)制、鈦燃燒及阻燃機(jī)理、鈦基復(fù)合材料中富釹氧化物顆粒的析出行為、各種元素在Ti3Al和TiAl合金中的作用規(guī)律和機(jī)理等方面深入開(kāi)展應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作和發(fā)表學(xué)術(shù)論文，而這些學(xué)術(shù)思想的形成和交融正是他能取得上述累累碩果的基礎(chǔ)。
曹春曉從青年時(shí)代起開(kāi)始與鈦合金結(jié)緣，彈指一揮間，六十載歲月匆匆而過(guò)。如今，已步入耄耋之年但銳氣不減當(dāng)年的他，仍然堅(jiān)守在科研工作第一線，為我國(guó)的科研事業(yè)繼續(xù)貢獻(xiàn)著智慧和力量。
回首幾十年的科研生涯，曹院士感慨道：“我只是眾多科研工作者中的一員，能為祖國(guó)的建設(shè)發(fā)展做一些事情，我感到很自豪！”
打造航空強(qiáng)國(guó)夢(mèng)
不可或缺鈦材料
從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，鈦合金在航空航天領(lǐng)域中得到了迅速的發(fā)展。該應(yīng)用主要是利用了鈦合金優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、低密度以及良好的耐蝕性，比如航空構(gòu)件要求高抗拉強(qiáng)度并結(jié)合有良好的疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性。而鈦合金的優(yōu)異的高溫抗拉強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性也使之被應(yīng)用于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)上。提升飛機(jī)性能的關(guān)鍵之一就是要減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化等方面有增無(wú)減的剛性需求，使航空應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越離不開(kāi)鈦。鈦合金是當(dāng)代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一，應(yīng)用它可以減輕飛機(jī)的重量，提高結(jié)構(gòu)效率。
曹春曉表示，我國(guó)航空材料的發(fā)展水平也正在由材料大國(guó)向材料強(qiáng)國(guó)過(guò)渡。目前世界上已在使用的合金，我國(guó)基本上都具備研發(fā)出來(lái)的能力，而且還擁有一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的合金件工藝技術(shù)。近十年來(lái)，我國(guó)的鈦合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，鈦材產(chǎn)量已列居世界第一位，整體鈦合金發(fā)展水平也居于世界先進(jìn)水平，然而目前國(guó)內(nèi)的鈦合金材料研究原始創(chuàng)新稍顯不足，要在鈦業(yè)大國(guó)的基礎(chǔ)上，邁進(jìn)鈦業(yè)強(qiáng)國(guó)，需要提升自主創(chuàng)新能力，增強(qiáng)原始創(chuàng)新能力，研發(fā)一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可以在國(guó)際上叫得響的航空材料。
當(dāng)前復(fù)合材料和鈦合金這些材料得到大規(guī)模的發(fā)展和應(yīng)用，過(guò)去使用Ti-6AI-4V（TC4）鈦合金，現(xiàn)在我們?cè)诶^續(xù)使用的同時(shí)，還研發(fā)出強(qiáng)度等性能更高的鈦合金新品種，經(jīng)過(guò)多年試驗(yàn)，飛機(jī)很多部件已開(kāi)始使用這些新的鈦合金。此外，另一具有斷裂韌性高、疲勞裂紋擴(kuò)展速率慢等特點(diǎn)的新品種合金——高損傷容限鈦合金的出現(xiàn)，也是飛機(jī)上的鈦合金用量越來(lái)越多的重要原因。
另一方面，復(fù)合材料與鈦合金是“最佳伴侶”，相輔相成，互相促進(jìn)。復(fù)合材料含有碳纖維，應(yīng)用中如果與鋁合金接觸，碳纖維與鋁合金之間有電位差，而隨著時(shí)間推移鋁合金會(huì)被慢慢腐蝕，降低飛機(jī)安全性。因此，與復(fù)合材料接觸使用的鋁合金，就需由鈦合金來(lái)代替以提高和保證飛機(jī)的安全性。
曹春曉總結(jié)道，鈦合金越來(lái)越受到廣泛的應(yīng)用主要原因有兩個(gè)方面：一方面是因比強(qiáng)度高而減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量；另一方面是由于耐腐蝕性優(yōu)良。
談及到飛機(jī)在嚴(yán)酷的海洋環(huán)境服役中如何防護(hù)時(shí)，曹院士說(shuō)，由于鈦合金具有很好的耐蝕性能，可以加大海洋服役環(huán)境中飛機(jī)的鈦合金使用比重，但由于鈦合金價(jià)格較高，出于經(jīng)濟(jì)考慮，鈦合金材料需用在刀刃上，在關(guān)鍵的部件上加大鈦合金的使用比重，以保證海洋服役環(huán)境中飛機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。
后記：如今，中國(guó)的航空夢(mèng)已經(jīng)撥云而出。只要科研工作者心懷祖國(guó)、情系航空、志在超越、腳踏實(shí)地、創(chuàng)新圖強(qiáng)、團(tuán)結(jié)和諧，相信中國(guó)自主設(shè)計(jì)制造的一代又一代先進(jìn)的飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)就一定能不斷展現(xiàn)于世界航空之林。
陜公網(wǎng)安備 61030502000103號(hào) 
