国产钛合金大型整体叶盘和阻燃钛合金机匣研制成功
[ 信息发布：本站 | 发布时间：2008-03-12 | 浏览：2133 ]
七十年代初，国家研制秦岭发动机，周义刚教授参加研制涡扇发动机钛合金盘和叶片。这是他第一次接触国防军工产品型号研制任务，也是第一次将教学、科研与生产实践相结合。
在探索发动机用国产Ti679钛合金压气机盘和叶片的热加工工艺时，课题组设计了840℃、870℃、900℃、940℃和980℃五个锻造温度。前四个锻造温度为(α+β)区加工，最后一个锻造温度为β区加工。试验结果发现：该合金的力学性能，随着锻造温度的升高，呈现出“低高低”的变化规律，而940℃临近相变点(相变点为953℃)锻造的室温、高温拉伸和蠕变性能最好；试验还发现：在沿用英国IMl679钛合金的标准热处理之前，增加一次高温均匀化处理，有利于组织中的等轴α球化和成分均匀化，从而达到组织结构均匀化和提高力学性能的目的。这些初步的研究结果，为他以后的研究工作提供了理论与实践的启示。
1980年，航空工业部提出，发挥部内优势，掌握钛合金盘的生产、质量、供应和价格的主动权，集中优势力量成立了钛盘模锻工艺攻关组。周义刚参加了课题组。研究工作开始前，周义刚经过详细的调查研究和周密的技术资料准备，冒着技术风险，在开展常规锻造的同时，提出钛合金高温锻造的新思路，得到了部科技局曾凡昌同志的全力支持。
可是，谈何容易！发动机是飞机的心脏，转动盘是心脏的心脏．周义刚很清楚，航空技术上新旧工艺的更替，尤其是重要的转动件，没有可靠的论据，明显的优势，是不会被采纳的，加上人们受钛合金锻造传统观念的束缚，更增加了实现这一愿望的难度。任重道远，知难而进。于是，他下定决心扎根工厂，带着学生长期深入生产第一线，坚持理论联系实际，坚持科学攻关。
贵州安大锻造厂实验条件很好，但生活很艰苦，吃的差，住的也很简陋，有时招待所里只有他和几个学生。一天三顿饭，为了能多吃一点有力气坚持工作，他忍着胃病的折磨，硬咬着牙吃些辣子以刺激胃口来增加食欲。
生活条件艰苦，试验任务却十分紧张，他每天工作都在十几个小时以上，常常通霄达旦地与学生、工厂技术人员和工人奋战在实验室和厂房里。长期的大脑亢奋和过度操心，使他在每一轮试验开始前的一个晚上总是彻夜不眠，偶有片刻入睡也在梦中惊叫担心试验的成败。因为做一轮试验，从方案论证、锻盘、解剖到理化测试，需要3-4个月时间，材料和试验费用至少两三万元。人力、物力、财力的消耗使他思想和精神上的负担很重，吃不好、睡不着，担心试验失败，不仅会延误研制进程，而且会影响斗志，造成经济损失．因此，试验中的每一个环节，他总是亲临现场，自己动手掌握第一手资料。经常是工作了一夜后安排大家休息了，自己又强打精神，以饱满的热情出现在白班工作人员面前。有一次竟连续工作了三天两夜。他忘我的工作精神和顽强拼搏的毅力着实使人吃惊，也深深地打动了和他一起工作的每一个人。谁都知道他的苦干实干精神和要求掌握第一手资料的工作习惯，大家也只能随他的心愿了。
1984年5月．航空部科技局为了调动部属两个专业化锻造厂的积极性，拟将新工艺用于锻制昆仑发动机盘，将此任务部署在陕西三原红原锻铸厂，同时开展新工艺试验。于是，周义刚又转新点，投入了更紧张的工作。为了实现他提出的钛合金高温形变强韧化新工艺(简称近β锻造)，他穿梭般地来往于贵州和陕西两厂之间，一干又是8年。
功夫不负有心人。前后经过12年的艰苦努力，共进行了24个周期的小饼模拟试验，解剖了26个直径为500mm的盘模锻件，测试了3600多根试棒的上万个力学性能数据，新工艺终于成功地用于生产，解决了昆仑发动机第五级压气机盘以钛代钢的难题，仅五级盘以钛代钢就使发动机减重2．37kg。统计数字表明，发动机每减重1kg，飞机可减重7～10kg，从而增加了飞机航程，延长了留空时间．提高了作战性能，有极为重要的国防意义。
更重要的意义还在于，新工艺能在不降低塑性、不丧失热稳定性的条件下，显著提高材料的高温性能、低周疲劳性能和断裂韧性，使钛构件的强度一塑性一韧性兼得。其次，解除了人们长期以来在钛合金锻造技术上的一种偏见和保守观点，即认为通过工艺途径提高材料的热强性，必然导致室温塑性和热稳定性的严重下降。周义刚教授用实践证明了采用工艺手段能充分发挥和挖掘材料性熊潜力的可行性，成为我国钛合金高温锻造的开拓者和奠基人之一。另外，新工艺提高了材料的使用温度，卓有成效地走出了用工艺技术使原有材料升级的道路。从而，一改过去人们只注重研制新合金，而不注重改造老合金的传统思想。这为钛合金材料科学和工程科学的发展开辟了一条新路子，特别是对我国钛合金的发展提供了一条符合国情的技术途径，有重大的经济效益和社会效益。
1992年10月，全国有声望的钛合金专家、冶金和发动机专家云集西工大，对周义刚教授等发明的《钛合金高温形变强韧化工艺》进行了部级技术鉴定。专家们一致认为：将相变、形变、形变热处理和强韧化处理巧妙地结合，获得由一定数量的等轴α、条状α构成的网篮和转变β基体组成的三态组织，不仅丰富和发展了钛合金原有的典型组织，而且由此带来的力学性能超过了国内外已有最优相关技术的性能指标，是钛合金锻造技术及组织结构领域中的一个首创，属于国际领先水平。此项发明同年获航空工业部科技进步一等奖，1993年获国家发明三等奖。
近β锻造和三态组织的研究成功，不仅在国内处于领先地位，已成功地用于航空钛锻件生产，并得到了国内外同行的赞赏和广泛关注。以色列、印度和美国的学者先后来函来电索取资料和要求接受来华访问，表明该研究具有重要的学术价值。
“科学的灵感，绝不是坐等可以等来的。”
三十余年来，周义刚、俞汉清、曾卫东等教授与课题合作者一起从事钛合金高温锻造及其组织结构的研究工作，提高了钛合金的锻造温度，提出近β锻造理论；积极推行和实践证明钛合金锻后水冷的新理念；发展了钛合金新颖的微观结构一?三态组织，近β锻造新工艺涉及到钛合金锻造方法的改进，三态组织丰富和发展了钛合金已有的组织类型，解决了性能合理匹配问题。对钛合金材料科学的发展和通过工艺途径挖掘材料性能潜力的工程科学的发展，具有实实在在的贡献。
他先后主持和参加课题20多项，获国家奖3项、省部级一等奖6项、二等奖6项，都是结合我国航空发动机和飞机型号研制中的钛合金新材料、新工艺重点攻关项目进行的。自70年代初开始，一直到今天，他总是带着研究任务坚持深入工厂，深入生产现场，与课题合作者、工人师傅、工厂科技人员一起日夜工作。对于科研项目，企业往往是不计产值的，为了不影响生产，一般安排在晚上进行，只要工人师傅干几个夜班，周教授团队一定跟着干几个夜班。
几十年来，他从来没有休息过一个寒暑假、节假日、周末周日，就是过年，也只歇息一两天，牺牲了一切文化娱乐活动和家庭乐趣。看到自己主持的项目，都在工程上得到了应用，加速了新机型号研制进程。周教授欣慰地说：“这样的工作态度是累了一点，但累得值得、累得有成效。”
最近几年，为了满足我国新型发动机减重和解决钛合金高温下自燃的所谓“钛火”问题的需要，周义刚教授又与材料研制单位、新机设计研究院和制造公司，以及锻造生产厂家联合攻关，于2004年研制成功了钛合金大型整体叶盘和阻燃钛合金机匣。
美国系列的高钒、铬系阻燃钛合金热变形极易开裂，是公认的难变形材料。周义刚携其课题组与材料研制单位西北有色金属研究院，锻造生产厂家合作，奋战四年，采用预应力包覆锻造技术，成功地解决了铸锭变形开裂的技术难题，研制成功了满足技术要求的阻燃钛合金机匣。近几年来，在国内没有成功应用的先例，也没有资料借鉴的条件下，他们又以产学研一体化的攻关形式，以人为本、自主创新，在研制成功了钛合金整体叶盘等温模锻，进而开发和生产钛合金双重组织的双性能整体叶盘。
谈及这些年坚韧不拔搞研究的心得，周教授感慨地说：“我国知名的数学家华罗庚教授说过：‘科学的灵感，绝不是坐等可以等来的。如果说，科学上的发现有什么偶然的机遇的话，那么这种‘偶然的机遇’只能给那些学有素养的人，给那些善于独立思考的人，给那些具有锲而不舍精神的人，而不会给懒汉’。几十年来，我靠的是辛勤的劳动，诚实的做人。”
对于研制成功阻燃钛合金的意义再看两段：
……（４）阻燃钛合金。常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向，这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。羌国研制出的Alloyc（也称为Ti-1720），名义成分为50Ti-35v-15Cr（质量分数），是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，己用于F119发动机。BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金，均为Ti-Cu-Al系合金，具有相当好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件[26].
钛合金由于重量轻(其比重为合金钢的65％)、强度好，发动机……只要在钛合金耐受温度允许的条件下(一般在550℃～600℃以下)也尽量采用，以减轻重量，提高发动机推重比。但是，在环境温度大于300℃、压力大于3个大气压时，如果钛与钛相碰磨，会引发着火。一旦钛着火，火势发展极快，轻者发动机烧毁，重者会烧毁飞机。例如美国海军在1987年损失的9架F/A－18舰载战斗/攻击机中，有4架就是由于高压压气机中钛制转子叶片与钛制机匣相碰磨引起飞机失火而造成的。一般来说，发动机高压压气机中的温度与压力正是钛易着火的条件，因此在80年代后，新设计的发动机中，高压压气机机匣很少采用钛合金。然而，钛合金轻的这一特点，始终吸引着发动机研制者的极大兴趣。有没有办法让钛合金既保持轻的特点而又具有不易着火的特征呢？阻燃钛合金就是在这种形势下提出的。研究表明，原则上在钛合金中添加25％的钒与15％的铬后就可使其具有较好的阻燃性。90年代以来，美、英、俄等国均在积极研制阻燃钛合金，但目前仅美国已达到应用阶段。F119上就采用了美国新发展的、被称为“合金C”的阻燃钛合金，用于高压压气机机匣、加力燃烧室筒体及尾喷管上。
资讯来源： 发布人：中国钛设备网
