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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

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  “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

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