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

  • 习近平同苏林共同会见中越青年代表

  • 习近平夫妇同苏林夫妇亲切话别

独家策划

推荐阅读
中国科学院微小卫星创新研究院15日发布轻舟试验飞船首批科学成果:关键技术验证方面,飞船测试了密封结构、推进、惯性测量、热控环控等核心系统。
2026-04-16 09:24
此次飞行对多项关键技术进行在轨考核,同时搭载27项科学试验载荷,还携带近300件青少年科普作品和一件《马踏雄风》瓷马进入太空。
2026-04-16 09:22
15日9时50分,由中国航空工业集团自主研制的HH-200航空商用无人运输系统,在航空工业民机试飞中心渭南运营基地平稳降落,圆满完成首飞。
2026-04-16 09:21
记者15日从国家林草局获悉,在法国巴黎召开的联合国教科文组织执行局第224届会议上,我国浙江常山和四川四姑娘山顺利通过会议审议,正式成为世界地质公园。
2026-04-16 09:20
党的十八大以来,我国统筹推进扩绿、兴绿、护绿并举,城市绿化实现从“有没有”到“好不好”的跨越式发展。为精准破解部分地区绿化分布不均、群众亲近自然不便的难题,各地因地制宜、见缝插绿,把生态福祉送到群众家门口。
2026-04-16 09:18
首次增设智能穿戴、显示技术、消费级无人机、集成房屋及庭院设施等9个专区。更多新企业、新产品、新技术走向世界,服务全球消费者。
2026-04-15 11:12
根据药品流通的不同渠道,《意见》明确发挥医疗机构专业作用、引导药店合理制定药品零售价格、用好网上药店价格发现功能等措施,鼓励各类主体参与价格形成。根据药品的不同领域,《意见》强调促进创新药多元支付与价格合理形成、强化短缺药保供稳价、加强麻醉药品和精神药品价格管理、规范药品原辅料价格行为,引导关键领域药品价格保持合理水平。
2026-04-15 09:26
而泵房内的水肥一体化配料系统,则扮演着“神经网”中智能中枢的角色。“从‘两脚泥’的传统漫灌,到指尖上的智能操控,再到云端管控的智慧灌溉,这场变革只用了短短几年。
2026-04-15 09:25
河北省秦皇岛市海港区河北大街秦邦医药连锁有限公司的一家店内,药品分区摆放整齐有序,店员马红梅正向顾客叮嘱用药须知。2019年成立至今,湖南一块医药专注于用数字化手段服务中小连锁药店,目前已连接500余家供应商,服务全国10万余家终端药店,触达县域消费者超3亿人次。
2026-04-15 09:36
本年度前期,黑河流域整体气温偏高,干流河道封河晚、开河早,河道封河河长短,冰储量较常年偏少;东居延海蓄水量较上年度同期偏少。实时调度过程中,水利部黄河水利委员会黑河流域管理局科学调度黄藏寺水利枢纽及梯级电站。
2026-04-15 09:24
推动银发经济行稳致远,当务之急是摒弃“重规模、轻质量”的粗放思维,实现从“有没有”到“优不优、适不适”的内涵式跨越。近年来,在政策引导与市场探索的双轮驱动下,我国适老化建设取得了一系列实实在在的成效。
2026-04-15 09:23
自2025年部分品牌充电宝宣布大面积召回以来,以充电宝为代表的移动电源产品的质量问题一直备受关注。充电宝新国标的推出意义重大,它将重新树立移动电源行业的产品标准和安全底线。
2026-04-15 09:22
“HPV(人乳头瘤病毒)疫苗对印度尼西亚女性很重要,因为它能保护我们免受宫颈癌的侵害。”  维诺预计,在实现全面本土化生产后,印尼每年可生产数百万剂HPV疫苗,在稳定供应的同时显著降低接种成本,为更多女性筑起抵御宫颈癌的健康防线。
2026-04-14 09:32
青藏铁路进出藏货物累计突破1亿吨  光明日报西宁4月13日电 记者訾谦从中国铁路青藏集团有限公司获悉,青藏铁路全线通车运营20年来,进出藏铁路货运量稳步增长。
2026-04-14 09:32
不久前,国家药监局正式批准国内首例植入式脑机接口产品的医疗器械注册证,实现脑机接口医疗器械全球首发上市。脑机接口产业仍处于发展初期,设备研发、手术植入、术后康复等成本较高。
2026-04-14 09:35
如今,中国航天不断迈向深空,对制造效率和精度提出了更高要求,智能化升级刻不容缓。(作者为中国航天科技集团五院529厂特级技师、国家级技能大师工作室——“王连友技能大师工作室”专家成员,本报记者刘诗瑶采访整理)
2026-04-14 09:34
《关于加快建设分级诊疗体系的若干措施》近日公布。李大川进一步补充说,医联体内要统筹建设医学影像、病理、检验、药品供应等资源共享中心,提升医疗卫生服务同质化水平。数据显示,2025年紧密型县域医共体基层诊疗占比超63%,高于全国基层诊疗人次占比的平均水平。
2026-04-14 09:31
记者从现场获悉,截至2025年底,上海累计记录野生鸟类543种;2025年,在上海记录到野生鸟类97万只次,为近10年最高。过去一年,上海市区两级收容救护体系救护和放归野生鸟类1256只;来自上海的护鸟志愿者队伍将巡护范围扩大至上海周边地区,为区域联动开展保护鸟类执法贡献力量。
2026-04-14 09:30
我国启动“人工智能+教育”行动计划,人工智能将纳入教师资格考试和认证内容。
2026-04-13 10:04
近日,上海“无废指数”再攀新高——2025年度上海市“无废指数”达86.96,比2024年度上升1.23。
2026-04-13 10:01
加载更多