科学院院士曹春晓：让中国发动机首次用上钛合金
发布时间：2015-03-03 15:59:06
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。
TD2——瞄准国际
钛合金虽已在航空领域得到了广泛应用，但是最高使用温度还只限于600℃。曹春晓获悉国外正在研制一种使用温度可达650～700℃的金属间化合物，立即向国家提出Ti3Al的立项申请报告并成功获批。
在制备铸锭时，曹春晓创立了CS新型熔炼工艺，提高了成分均匀性和锻件的室温拉伸塑性。在获得了优质的TD2合金铸锭后，为解决锻造和热处理方面的难题， 曹春晓提出了逐渐降温热变形工艺与高低温交替热变形工艺相结合的可避免铸锭锻裂和优化金相组织的锻造技术以及可优化性能匹配的α+β区三重热处理技术,从 而很快研制出了性能优良的TD2合金棒材，并与安大合作，轧出了性能良好的外径尺寸达656毫米的环形构件。
课题组选择涡喷13发动机涡轮导风板和二级涡轮结合环这两个典型零件作为应用研究的对象，采用TD2合金取代GH4033镍基高温合金并获得成功，使用了 TD2合金构件的涡喷13AⅡ的发动机成功地进行了地面台架试车。这是我国金属间化合物结构材料进行试车的首例，也是国际上Ti3Al基合金转子零件进入 航空发动机试车阶段的首例。
钛铝（TiAl）合金——奔向未来
钛铝合金比重略小于普通钛合金和Ti3Al合金，而其使用温度可以高达760~850℃，远高于普通钛合金的600℃和Ti3Al合金的700℃。 GE已经将钛铝合金应用于最新的GENx发动机上。每使用一级钛铝合金涡轮叶片，发动机就能够减轻45.5千克。波音787上装配了两台GENx发动机， 每台使用了两级钛铝（TiAl）合金涡轮叶片，仅发动机本身，钛铝合金就减轻了182千克；波音747-8则装配了4台GENx发动机，但每台只用了一级 钛铝（TiAl）合金涡轮叶片，减轻的重量也为182千克左右。
钛铝合金之所以现在才刚刚开始服务于大型客机，很大一部分原因在于钛铝的延展性和韧性较差，脆性大，加工和设计使用方面要解决很多技术问题。曹春晓认为， 一旦这些难关得到攻克，乐观看来，5年左右钛铝合金即可以进入试用阶段，航空发动机低压涡轮、高压压气机等温度超过600℃的运行环境都是钛铝的用武之 地。轻盈的钛铝合金在转动件方面的应用前景将非常广泛，在850℃以下的运行环境中，传统的、比重较大的镍基合金都可能被钛铝合金所替代。
从TC4到钛铝（TiAl）合金，航空钛合金的发展经历了一个从无到有、从模仿到创新的辉煌历程。随着我国航空事业的发展，航空钛合金也必将发挥越来越大的作用。
