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中国科学院院士曹春晓

2018-1-2 09:25| 发布者: fiber| 查看: 15| 评论: 0

摘要: 曹春晓,材料科学家。1934年8月6日生于浙江上虞。1956年毕业于上海交通大学机械系。北京航空材料研究院研究员。1997年当选为中国科学院院士。 1934年出生于浙江上虞,1956年上海交通大学毕业。 1956年,这个刚刚大 ...

曹春晓,材料科学家。193486日生于浙江上虞。1956年毕业于上海交通大学机械系。北京航空材料研究院研究员。1997年当选为中国科学院院士。

1934年出生于浙江上虞,1956年上海交通大学毕业。

1956年,这个刚刚大学毕业的年轻人来到了北京航空材料研究院,实现了自己献身于国防科技事业的志愿。那一年,恰逢院里刚刚筹建了日后在航空领域大显身手的钛合金试验室,曹春晓有幸成为其中的一员,并由此走进了一个神秘而又崭新的世界、

在现代材料科学与技术的发展历程中,航空材料一直扮演着先导和基础作用,“一代材料,一代飞行器”是航空工业发展的生动写照,也是航空材料带动相关领域发展的真实描述。

1954年,美国的普惠公司首次研制出由钛合金制造的发动机叶片,成功的应用于航天飞机上。此后,具有优异特性钛合金在各种航空制造材料中的使用比率不断上升,并逐步成为现代航空器不可或缺的材料。因此,尽快将钛合金应用到飞机制造业,也是我国航空发展史中必不可少的环节。

钛是第二次世界大战以后登上世界工业舞台的年轻金属,它仅次于铁、铝,被誉为正在崛起的“第三金属”。曹春晓他们十分清楚,他们的研究对于新中国的军事、经济和社会发展,具有重要的战略意义。

可供参考的国外的资料和图片几乎没有,核心的技术只能靠自己摸索。1965年的冬天, 由钛合金制成的飞机发动机叶片终于研制出来了。

如何减轻飞机的重量一直是飞机设计师考虑的主要问题, 而材料的优劣对飞机的速度、高度、航程、安全可靠性等各方面起着无可置疑的影响,将比重相对较轻而强度相当的钛合金引入飞机制造业,对推动我国航空业的进步与发展意义重大。这次试车的成功,掀开了我国航空发动机用钛史的第一页。此后的十几年中,在曹春晓的推动下,先后有五六种航空发动机装上了钛合金叶片,取代了原来笨重的钢叶片和钢盘,使发动机的重量明显减轻,为我国空军装备的现代化做出了重要贡献。

20世纪八十年代初期,国家急需一种航空发动机的使用材料,打算斥巨资从国外购买。因为当时我国的冶金工艺在制造上存在着比较大的缺陷, 内部组织很不均匀,无法达到优良的综合性能。

记不清在多少个寝食难安的日日夜夜之后,曹春晓创造性的提出了一种高低温交替的新型锻造工艺,能显著改善大锻件内部组织性能的均匀性和稳定性。达到了国外同类产品的水平,由于产品工艺及时的研制成功,国家原定用来进口材料生产线的五百万美元节省了下来,曹春晓也凭这项具有国际先进水平的新工艺,获得了1987年国家科技进步奖。

19031217日早上1035分,美国的莱特兄弟操纵飞行者1号飞机飞离地面,这个纪录改变了人类生活。从此,人类实现了飞行的梦想。

此后100年,航空材料经过了一代又一代的革新,由最初的木质和布料,很快进入了金属结构时代。铝和钢之后,飞行器进入了一个钛的时代。

1987年起历任北京航空材料研究院(621所)研究员、博士生导师。

1997年当选为中国科学院技术科学学部院士。

不断开创新型钛合金和钛--铝系金属间化合物,并应用于航空工业,显著减轻飞机及其发动机的结构重量根据再结晶和相变相结合的原理,创立了高低温交替热变形技术,解决了长期以来存在于大型钛合金零件生产中的金相组织不均匀的关键问题首先利用特定的相变模式优化钛合金的β转变组织形态和性能,创立BRCT热处理技术利用形变--相变联合机制,创立钛合金急冷式β热变形强韧化技术研究了钛合金的强化机制、阻燃机理、疲劳裂纹扩展特征及其它基础问题,并相应地取得了创造性成果。

科学研究

航空工业用钛开路先锋

钛是国际上20世纪50年代才开始走向工业化生产和应用的一种崭新的金属材料。曹春晓从参加工作的那一天起,就为开辟中国航空工业用钛的道路而不懈努力。1965年,他肩负课题负责人的重任,选择TC4钛合金为突破口,创造性地解决了各种技术难题。1966年,我国第一台装上钛合金叶片的航空发动机试车成功,掀开了我国航空发动机用钛史的第一页,实现了零的突破。之后,他与其他科技人员继续努力,将TC4钛合金叶片和压气机盘扩大到五六种机型之中,取代原来笨重的钢叶片和钢盘,显著地减轻了发动机重量,提高了发动机的推重比。技术鉴定会为其作出了中肯的鉴定:“TC4合金产品的组织性能达到了国际及美国宇航材料标准,它的研究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。”

创交替热变形技术

一种新型航空发动机急需能耐500℃的热强钛合金TC11。曹春晓又率领航空部内外的同仁展开了攻坚战。钛合金大型模锻件及其坯料的金相组织很不均匀是长期未能解决的“老大难”问题。他反复思考和实践,根据钛合金热变形过程中再结晶和相变交叉进行的原理,产生了通过热变形温度的交替变换(高—低—高—低)获得细小均匀的新β晶粒的新思路,从而创立了高低温交替热变形技术。这一具有国际先进水平的新技术,显著改善了大锻件组织性能的均匀性和稳定性,使TCll合金材料和盘模锻件的组织性能不仅达到国外同类产品的水平,而且在一些关键指标上超过了它们。这一重大突破为空军装备更新换代做出了重要贡献,还为国家节省了原已批准用于进口的500万美元外汇和用于新建一条钛锻件生产线的621万元投资,仅航空部内锻造厂的产值在1980-1984年就增加了3000万元,并推动了航空钛锻件向国外的出口。该成果获1987年度国家科技进步一等奖,他是第一完成人。TCll目前已成为我国军用工业中用量最大的一种钛合金,而高低温交替热变形技术则已广泛应用于各种钛合金的生产。

首创BRCT热处理工艺

不少飞行事故不是由于材料强度过低,而是由于断裂韧性太低或裂纹扩展速率太高所致。美、俄等国都投入大量人力财力,试图通过合金化途径研制出兼有高强度、高刚性、高韧性、低裂纹扩展速率、低密度的钛合金,但结果均不尽如人意。曹春晓萌生一个念头:我们能否独辟蹊径,通过新的工艺途径达到兼有鱼与熊掌之目的呢?他创立了一种崭新的热处理工艺——BRCT工艺。这一工艺的主要特点是首次利用特定的相变模式优化了β转变组织形态。与传统的α+β热处理工艺相比,BRCT 热处理工艺在保持原有强度、刚性的情况下,提高断裂韧性50%以上,降低疲劳裂纹扩展速率一个数量级,提高使用温度20℃左右。与一般的β热处理工艺相比,BRCT热处理工艺可获高得多的疲劳强度和拉伸塑性。这使TCll钛合金如虎添翼,变成了兼有“四高二低”(高温、高强、高韧、高刚性、低密度、低裂纹扩展速率)特性的钛合金。这一具有国际先进水平的BRCT热处理工艺,成功地应用于某新型歼击机的TCll钛合金伞舱梁。该成果获1995 年度国家发明三等奖(他是第一发明人)。

含钕新型高温钛合金

为进一步提高发动机的推重比,迫切需要研制和应用一种能耐更高温度的新型钛合金。于是曹春晓作为“550℃高温钛合金的应用研究”这一国防科工委“八五”重点预研项目的负责人,率领跨部门的大型联合课题组,突破了八大关键技术,圆满地完成了预定任务,通过了部级鉴定。鉴定委员会认为:“Ti-55合金是我国独创的含稀土元素钕的550℃高温钛合金,该合金在某新型航空发动机压气机盘、叶片和鼓筒上的成功应用,标志着我国高温钛合金的应用达到了新水平,形成了由TC4TCllTi-55组成的航空发动机用主要钛合金系列”,“在率先应用含钕新型钛合金以及急冷式β模锻、三重式α+β热处理等关键技术方面具有创新性”。该项目于1998年获国家科技进步二等奖。

Ti-Al系金属间化合物

始终关注科技前沿的曹春晓获悉国外有人正在研制一种使用温度可达650-700℃的金属间化合物Ti3Al后,提出立项论证报告,被列入国家“863”高科技项目。他率领课题组创造性地采用了具有我国自己特色的熔炼、锻造和热处理工艺(其中新型均匀化熔炼技术已获国家发明专利,他是第一发明人),突破了“室温脆性”等技术难关,成功地研制出了我国第一批Ti3Al合金航空发动机零件。1990年底,他为此获国家科委和国家高技术新材料领域专家委员会授予的重要贡献奖状。“八五”期间,他为把这一高风险的“革命性”材料推向实用化作出新的努力。在大量性能数据的基础上,一台装有Ti3Al合金(TD2)零件的航空发动机首次试车成功,在整个金属间化合物领域中起到了示范带头作用。在1996年评审验收中被国防科工委和中国航空工业总公司专家组评为A级。部级鉴定意见中指出:“TD2合金工艺及性能稳定,拉伸强度、塑性、断裂韧性、冲击韧性等关键性能优于美国同类合金(超α2合金),在均匀化熔铸工艺等实用化关键技术、性能系统研究以及Ti3Al基合金转子零件率先地面台架试车等方面居国际领先地位。”

近年来,他与课题组同志一起,又研究成功一种综合性能更优的新一代Ti3Al合金(TD3),并在生产条件下研制出我国迄今为止最大的Ti3Al合金锻件(重70千克,外径770毫米),在2000年年底的验收中被国防科工委专家组评为A级。

与此同时,他还在积极研究可在750-850℃下长期工作的TiAl合金,已取得重要进展,即将进入应用研究阶段。

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