1、曹春晓：让中国发动机首次用上钛合金 曹春晓，材料科学家、钛合金专家，中国科学院院士。1956 年毕业于上海交通大学机械制造系金属压力加工专业，分配到中航工业航材院从事钛合金与应用工作。现为中航工业航材院研究员、博士生导师、学位评定委员会主席。他不断开创新型钛合金和钛铝系金属间化合物及其制备技术，并创立高低温交替热变形、BRCT 热处理等多项新工艺。1997 年当选中国科学院院士。国防预算钛合金，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、
2、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
3、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
4、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 8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
5、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、棒坯和饼坯的锻造。这批饼坯很快就完成了 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”特性的钛合金。由于 TC11具有优良的综合性能
6、，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 650700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 + 区三重热处理技术
7、,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 13A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 760850，远高于普通钛合金的 600和 Ti3Al合金的 700。 GE
8、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。
