点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:啃下多少硬骨头才能成为“奋斗者”
首页> 科普频道> 科普头条 > 正文

啃下多少硬骨头才能成为“奋斗者”

来源:中国科学报2021-01-13 09:25

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  “奋斗者”号载人舱完成电子束焊接 中科院金属研究所供图

  “杨锐他们啊,啃的都是硬骨头。”这是研究所同事给杨锐团队的评价。

  “上九天揽月,下五洋捉鳖”可以概括中科院金属研究所(以下简称“金属所”)研究员杨锐啃过的硬骨头。航空发动机、长征五号运载火箭、“奋斗者”号万米深潜器……他们都提供过关键材料。

  从“天空”到“海底”是在9年前。当时,中国要向海底深渊进军,金属所开始参与关键部件载人舱的研制。

  2020年11月,采用国产原创技术和材料建造的钛合金载人球舱交出满意答卷,“奋斗者”号在马里亚纳海沟创造了10909米的中国载人深潜新纪录,使我国成为世界上第二个实现万米载人深潜的国家。

  回忆这9年的探索过程,杨锐说:“跌宕起伏、有惊无险。”

  立军令状

  得知要建造搭载3人的万米深海潜水器,杨锐心里有点打鼓。

  下潜万米,载人舱需要耐受110兆帕水压,相当2000头非洲象踩在成年人背上。此前成功的万米载人舱搭载2人已是极限,要超越极限,杨锐清楚,只能依靠核心技术的重大突破。而且,金属所钛合金研究部的工作多集中在航空航天领域,很少涉及海洋,这项工作又“前无古人”,没有多少国际经验可供借鉴。

  为了给万米深潜作准备,中国科学院先行上马了海斗深渊前沿科技问题研究与攻关先导专项。首席科学家丁抗曾说,载人舱是万米载人深潜最大的“拦路虎”,如果能突破的话,经过大家努力,必能把我国的深潜事业推向一个新的高度。这话令杨锐印象深刻。

  2013年的一次论证会上,主持会议的领导说:“载人舱是成败的关键。杨锐你说说,能不能做出来?”

  这一问,杨锐没有立刻回答。

  当时,他和金属所钛合金研究部副主任雷家峰、青年骨干马英杰一起搞过几次头脑风暴,做了一些准备工作,但要“在起点上拍胸脯实在缺乏底气”。

  三五秒内,种种情形在杨锐脑中闪过,最终,他抬头回答:“只要立项,保证能干出来。”

  后来,项目成功立项,完成时间却从“十四五”提前到“十三五”。杨锐等人依据交付时间倒排进度,发现没有任何回旋余地。

  “当务之急是尽快确定优化的合金成分,为后续工程化研究争取时间。”杨锐当机立断,做出判断:不可能一轮又一轮反复试错,必须尽快找到一个指导原则。

  拿下Ti62A

  强度和韧性是金属的一对矛盾属性,也就是说,坚硬的金属往往较“脆”,可塑性差,韧性高则皮实、安全。近30年来,世界上几乎所有深潜器的载人舱都采用Ti64合金制造,正是看中了Ti64能在中等强度下保持高韧性。

  但要建造承受万米深度海水压力的3人球舱,无论怎么计算,都超出了Ti64的极限。摆在团队面前的只有一条路:放弃数据齐全、经验丰富的Ti64,研制新型钛合金。

  “这是制造载人舱的最大技术挑战。”杨锐告诉《中国科学报》。

  团队很快将目光锁定与Ti64韧性相当的Ti62222。

  这一合金的设计初衷是取代Ti64,美国上世纪八十年代提出之后曾风靡一时,但由于存在技术缺陷,后来不了了之。金属所钛合金研究部早在“十一五”期间就研究分析过Ti62222的不足,有不错的研究基础。

  2014年春节假期,杨锐“闲来无事”,读遍了能找到的所有相关文献。突然,一篇曾经读过的论文引起他的注意。上世纪九十年代,美国学者研究发现,引起合金脆性的欧米伽相结构并不完美。杨锐琢磨发现,这个相越不完美,造成的危害越小。

  这让他醍醐灌顶:也许可以找到一种“神药”,通过合金设计改造欧米伽相,从而使这个恶性肿瘤变成良性。

  他联想到另外两项工作,分别是同日本国立材料研究机构和英国罗罗公司合作研究的钛-铌-钯和钛-铌-钼合金,都是在常见的铌元素之外添加了说不清道不明的其他元素,却意外提高了韧性。而钯和钼在元素周期表中的位置都在钛的右方。

  杨锐立刻找到同事胡青苗研究员说明这一想法,后者放弃休假回到实验室,通过理论计算证实,钼和此前分析过的钯一样,都能降低欧米伽相的稳定,从而提高韧性。

  由此,新型合金设计的主要思路逐渐清晰:回避元素周期表中处于钛下方的难熔金属元素,酌量增加其右方的元素,实现强度和韧性的最佳配比。

  说起来容易,要做到“恰到好处”却极其困难。“金属材料的强度和韧性通常呈倒置关系,要同时提高,难于上青天。”杨锐说。

  金属所的雄厚基础和经验优势此时再次发挥作用,雷家峰在此方向已开展了15年以上的研究,对合金中十余种元素的习性了如指掌。杨锐笑称:“闭着眼睛都知道在不同温度下它们会往哪边跑。”他们将精力集中于少数尚不熟悉的元素,打歼灭战,在短时间内掌握规律并确定定量关系。

  最终,经过实验验证,中国原创的新型钛合金Ti62A诞生了!它的韧性和可焊性与Ti64相当,强度提高20%。

  “以前我们讲国产化,还是在追赶别人,现在已经不仅是国产,而是国创了。”杨锐自信地说。

  制胜法宝

  要耗费3个多小时下潜万米,并在水下开展6个小时的科考作业,载人舱还面临着钛金属保载疲劳的问题。好在这一问题金属所也有过深入研究。

  飞机起飞爬坡时发动机声音较大,平飞时更为安静,这是因为爬坡需要更大动力。但是,飞机反复起飞导致的载荷周期性变化,对钢等金属不会产生较大影响,却会引发钛合金保载疲劳现象,大大降低其寿命。1972年,罗罗公司在分析一起飞行事故时首次发现了这一现象,至今仍未彻底揭开谜底。

  2009年6月,杨锐和罗罗公司钛合金首席专家阮格在欧洲钛合金会议上一见如故,决定合作开展钛合金保载疲劳研究。由于需要大规格材料取样,且极为费时,这项工作前后花费了百万元以上。金属所邱建科由此成为杨锐“最贵”的一名博士研究生,也是国内对钛合金保载疲劳研究最为透彻的人。

  在载人舱研制过程中,邱建科承担了Ti62A保载疲劳研究任务,保证其可以放心使用。前期的研究基础为项目按时完成节约了大量时间。

  合金小样品性能好,并不代表大规格板材性能一定好,特别是对于大厚度板材,高强度和高韧性依然不能同时实现。此时轮到团队中的马英杰出场,制备复合片层正是他的拿手好戏。

  通过设计独创的钛合金两级交错片层状显微结构,他们在国内最大厚度的宽幅钛合金板材中实现了复合片层组织的控制目标。同传统组织相比,球壳性能全面提升:强度提高5%,塑性提高15%,断裂韧性提高10%,裂纹扩展速率下降 2至5倍。

  “开发原创技术、破解卡脖子问题,还是要站在前人的肩膀上,没有基础研究的积累,拍脑袋做不出来。”杨锐告诉《中国科学报》金属所有着几十年高温钛合金研究积累和国际交流经验,这也许是他们惊险过关的制胜法宝。

  惊险瞬间

  2019年6月17日,离建造完成仅一步之遥。

  晚上10点多,杨锐等人在中国船舶集团第七二五研究所的一间会议室里静静等待。隔着一幢楼就是电子束焊接车间,载人舱的两个半球正在那里焊接。

  采用焊接工艺,是项目组的创举,也是风险点之一。2019年下潜万米的美国“极限因子”号潜水器两人舱采用螺栓连接两个半球,三人球舱承力更大,材料的强度更高,焊接难度可想而知。

  由于经费有限,这个球舱只能成功不能失败,容不得半点闪失。但安排的时间已过,现场却迟迟没有消息。众人坐在会议室内,感到那天的空气有点潮、有点闷。

  “又等了45分钟,终于来人说焊完了,我们赶紧过去,从焊缝外观初步判断是成功的!”杨锐回忆。

  原来,开工前设备发生了点故障。事后回想,大家都有点后怕:如果故障发生在焊接过程中,后果不堪设想。

  要建造万米载人球舱,必须克服材料、成形、焊接等一系列难题。在国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项支持下,金属所牵头,同宝钛股份、七二五所等单位联合攻关。“大家都拿出了看家本领,突破自我,精诚合作,最终按时保质完成任务。”杨锐说。

  经此一役,我国不仅在钛合金科学领域进入国际前列,制造工艺也得到了极大提升——钛合金铸锭重量、板材幅宽与厚度等技术指标均打破国内纪录,电子束焊接技术国际领先。

  杨锐说:“这就是需求驱动的力量。”

  在整个项目进程中,金属所在短时间内突破了材料难关,协调各部门协作,还经历过项目周期缩短和经费缩减。作为带头人,杨锐却乐呵呵地说:“你看我像害怕压力的人吗?我还经常给别人当‘心灵按摩师’。”

  马英杰告诉《中国科学报》:“杨老师是乐观的人,一直倡导不要把技术压力变成精神压力。他也是很有规划的人,高风险的技术会安排备选路线,并行发展;每个时间节点必须完成的事,也会督促大家完成。”

  2020年11月28日,完成万米下潜突破的“奋斗者”号返航,杨锐来到三亚迎接战友们凯旋。那一天的南山港码头人声鼎沸,在鲜花和掌声中,杨锐感慨:“以前我是做航空航天材料的,这下‘海阔天空’占全了。但光荣和热闹总会过去,科技工作者们会回到冷板凳上去,进入下一轮奋斗。”(陈欢欢)

  邱建科、雷家峰、杨锐、马英杰(左起)等人在“奋斗者号”返航欢迎仪式上 中科院金属研究所供图

[ 责编:张蕃 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 2025中国5G+工业互联网大会在武汉举办

  • 二十国集团领导人峰会在南非约翰内斯堡开幕

独家策划

推荐阅读
2025年度“十大”科普热词从科技、文化、社会等维度,综合勾勒出2025年我国科普事业发展、科技前沿动态、科学传播与社会文化融合的整体态势和核心方向。
2025-11-21 15:11
枫清科技与麒麟软件达成战略合作,双方将围绕AI技术创新、产品研发、市场拓展等方面开展深度合作,共同推动信创产业生态的完善与发展。
2025-11-21 13:13
走进国家重要野生植物种质资源库辰山中心种子冷库,零下20摄氏度的寒气扑面而来,一排排整齐编号的收纳容器中,是进入“深度睡眠”状态的各类野生植物种子。
2025-11-21 09:53
小雪时节,容易发生感冒、皮肤干燥、关节疼痛及咳嗽等不适,大多因为寒燥外袭、津液失调。
2025-11-21 09:52
当前,关于精神疾病与心理治疗,公众还有哪些常见误解?带着这些问题,本报记者采访了北京安定医院多位专家。
2025-11-21 09:49
2023年11月,“天衍”量子计算云平台正式发布,截至目前,访问量已突破3700万次,覆盖海内外60多个国家和地区的用户,实验任务数超过270万个。
2025-11-21 09:47
20日,记者从南京大学获悉,该校沈树忠院士团队的侯金波博士等人记录了湖北省通山县一处距今约5.4亿年的埃迪卡拉纪化石宝库,并将其命名为“通山特异埋藏化石库”。
2025-11-21 09:38
完成第一阶段6G技术试验,形成超过300项关键技术储备,资本加速布局6G生态……尽管6G网络预计将在2030年开始部署,但我国6G产业布局正加速铺开,呈现政策护航、技术攻坚、资本活跃的特征。
2025-11-20 09:11
谷山梁3吉瓦/12.8吉瓦时储能电站项目建成后,每年预计可向电网输送36亿千瓦时的清洁能源电力。“独立新型储能电站放电时为发电企业,充电时视同电力用户,电网的峰谷电价价差形成利润空间,吸引企业投身于此。
2025-11-20 09:11
中国第一辆蒸汽机车就诞生在我的家乡唐山。我为之骄傲。为此,大学学习机械制造与设计专业的我,毕业后,就一头扎进轨道交通检测设备研发领域。
2025-11-20 04:25
常有人说,发动机是火箭的“心脏”。而我从事的工作是,液体火箭发动机推力燃烧系统高精密产品的生产加工,所以大家都叫我“火箭心脏钻刻师”。
2025-11-20 04:25
四川全口径外送电量已超1.9万亿千瓦时。这一规模相当于江苏、浙江、安徽三省全年用电量之和,标志着四川落实“西电东送”能源战略取得丰硕成果,
2025-11-20 04:25
大国重器又传好消息!江门中微子实验(JUNO)装置建成运行仅两个月,就取得首个物理成果——测量太阳中微子振荡参数,结果比此前实验的最好精度提升了1.5~1.8倍。
2025-11-20 04:35
为促进卫星导航定位产业有序发展,维护国家地理信息安全,我国将对卫星导航定位基准站实行统一规划、统一标准、统一监管。针对目前基准站重复建设、存在数据安全隐患等主要问题,办法规定自然资源部会同有关部门制定全国基准站建设布局规划。
2025-11-19 09:52
18日,我国首个配置冷却塔的“华龙一号”核电机组——中广核山东招远核电项目1号机组顺利完成核岛第一罐混凝土浇筑,标志着该项目一期工程建设全面启动。
2025-11-19 09:51
2020年至2024年间,全球光热发电装机年复合增长率为4.24%,我国同期增长率达11.7%,显著高于全球水平;技术装备国产化率突破95%,释放出产业加速发展的强劲信号。
2025-11-19 05:35
科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼,科普与科技创新“同等重要”。
2025-11-19 05:55
日前,由清华大学产业发展与环境治理研究中心和自然科研智讯联合编制的《国际科技创新中心指数2025》报告正式发布。
2025-11-19 05:55
新疆的孩子们在“流动科学课”上被磁悬浮演示、机器人互动、矿物标本展示等吸引了目光;甘肃张掖的科技工作者为大伙儿演示经典科普实验“火焰掌”;上海的科学家们踏上科技节的红地毯赢得公众的掌声……这些生动场景共同勾勒出“十四五”期间我国科普事业的发展印记。
2025-11-19 05:55
如今,在学习中遇到问题可以问人工智能,写作业也可以用人工智能辅助查询信息。正如这名同学所言,生成式人工智能正改变传统的以知识积累和传递为中心的教学模式。
2025-11-18 10:28
加载更多