让理想在蓝天飞翔——走近曹春晓院士和他的钛合金人生

让理想在蓝天飞翔
——走近曹春晓院士和他的钛合金人生

中国科学院院士 曹春晓

不久前,当歼20隐形飞机试飞成功,举国上下欢欣鼓舞弹冠相庆的时候;国庆阅兵大典上,当编队的银鹰以绝世的风姿掠过天安门广场上空,我们为祖国空军的不断强大而激动自豪的时候;出差、旅行,当我们沿着四通八达的空中航线,悠闲写意的遨游蓝天的时候,你是否知道,在这所有的飞机中,有一种至关重要的航空材料——钛合金,它的应用比例,代表着一个国家现代航空业的发展水平;你是否想到,有一位老人,为钛合金的研制和中国航空事业的发展,贡献了自己的全部青春和毕生精力。

为了迎接世界钛会在中国召开,新年伊始,记者来到了北京航空材料研究院,找到了这位可敬的老人——中国航空工业钛合金研究和应用的创始人之一、中国航空领域的最高奖项“航空报国金奖”获得者、中国科学院院士曹春晓。

1 半世纪情缘钛合金

“我的工龄可以用我的‘钛龄’来度量。”在办公室里坐定,曹春晓院士用一句话概括了他自己的一生。是的,如果说谁的一生可以用一个词来描述,曹春晓无疑就是其中的一个,这个词就是钛合金。

1956年,曹春晓从上海交通大学金属压力加工专业本科毕业,由于突出的学习成绩,系主任决定挽留他在学校任教,然而,曹春晓放弃了当时很多人梦寐以求的留在上海的机遇,在个人的努力争取和学校的理解支持下,通过统一分配来到了北京航空材料研究院前身——刚刚成立的第二机械工业部第六研究所。“为什么会这样选择呢?”面对记者的疑问,曹春晓陷入了儿时的回忆。1934年 6月 25日(农历),曹春晓出生于一个历代都辈出人才的地方——浙江绍兴!3岁时,因父亲工作关系举家迁到了上海,住在了法租界内。上小学了,认识字了,每当他看到当时的“法国公园”门口立的一块“华人与狗不得入内”的牌子时,愤怒充满了他幼小的心灵!那时候,正是帝国主义列强蹂躏中国的岁月,曹春晓经常能看到敌人的飞机从上空掠过!从那时候开始,他就想:“我长大了,一定要去造飞机,造出比他们更好的飞机。”

就这样,曹春晓带着自己“科技强国”的梦想来到了北京。于是,航空材料研究所成为了曹春晓梦想开始的地方。“那时,这里还一片荒凉,夜里还能听到狼嚎的声音”曹春晓院士指着窗外说,“当时,从美国刚刚回国的青年科学家颜鸣皋,深感钛合金材料的重要性,于是领着一批年轻人,成立中国第一个钛合金实验室,立志要尽快搞出中国人自己的钛合金。”作为颜鸣皋的学生和助手,曹春晓参与了实验室的筹建工作。从此,曹春晓与钛合金结缘,开始了自己的钛合金人生。这一开始,就是整整55年。

“钛合金,这三个字我们今天说起来很容易,可是在当时,我们连听都没听说过,我本人也对钛合金一无所知。”曹春晓说,“很少有人知道,钛合金广泛应用的背后,隐藏着科研人员怎样艰辛奋斗的岁月。面对一种全新的材料,当时实验室的人都知道很难。但是,我们也知道,这项材料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。我们没有选择,只能迎难而上。”在选择研究钛合金的那一霎那,曹春晓他们就已经把自己的意志打造得和钛合金一样的坚硬。“当时我们研究钛合金几乎是一穷二白,可供参考的国外资料几乎都没有,核心的技术只能自力更生!但是没有条件也要创造条件,在颜鸣皋老师的带领下,我们边学习相关理论和专业知识,边在摸索中进行研究。在经历过连续几个月的失败后,我们终于熔炼出了一个3 kg重、银光闪闪的钛合金铸锭,中国从此有了自己的钛合金!”由于工作出色,曹春晓很快就成为钛合金实验室的主要技术骨干。1965年,刚刚 30岁出头的曹春晓肩负重任,出任 TC4钛合金课题负责人。当时,TC4钛合金是世界上技术最为成熟的钛合金材料,有关领导和曹春晓都认为中国的钛合金研发应以此为突破口,迅速拓展到航空工业的实际应用。在曹春晓课题组的努力下,TC4钛合金研发、应用中的重重难关被逐一打破,圆满完成任务。

1965年的冬天,由曹春晓率领的科研组终于研制成功 TC4钛合金发动机叶片。在四川成都航空发动机厂,他们把钛合金叶片装在航空发动机上准备试车。事到临头厂里有些同志却犹豫了,怕一旦试车失败,破碎的钛合金叶片会把后面的一系列叶片及其他零部件打坏,近百万元的发动机将会毁于一旦。”经过科研组成员和有关领导的反复讨论,统一了认识:这次试车并不是蛮干而是有充分的科学依据的,已把风险降到很低的程度。科学试验总是要承担一定风险的,为了我国航空事业的发展,为了航空发动机用钛的零的突破,冒些风险是值得的,于是工厂领导终于下了决心:试!一分钟、一小时、一天过去了……,一百多个小时过去了,发动机运转正常,各项测试数据完全符合设计要求!看着眼前的情景,曹春晓是喜极而泣——它的成功将掀开中国航空发动机用钛史的第一页。

此后,曹春晓等人又继续努力,将 TC4钛合金叶片的应用扩展到五六种机型中,大大推动了我国空军装备现代化的步伐。

2 披荆斩棘圆航空报国梦

“一代材料,一代飞机,这是航空工业发展的生动写照,也是材料在科学技术发展历程中一直扮演着先导和基础作用的真实描述。”说起钛合金和航空事业,曹春晓院士眉飞色舞,一点也看不出这是一个年过古稀的老人。

“中国的钛合金材料研究起步较晚,上世纪 50年代,美国已开始将其使用在飞机上,并实现了工业化生产。”曹春晓回忆说。“此后,具有优异特性的钛合金在各种航空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。”20世纪 70年代末 80年代初,世界格局扔持续着“东—西争霸”的局面,冷战的阴霾持续笼罩着整个世界。经历了十年动荡后的中国,急需增强自己的国力。国家将研发高温钛合金 TC11列入“六五”科技攻关项目。“TC11钛合金是一种重要的航空材料,具有耐热性好、屈服强度高、疲劳强度大等特点,可在 500℃以下的环境中长期使用。当时,中国正在制造的两种新型歼击机必须要用到它。但考虑到时间紧、研发难度较大,当时国家计委已经批准用 500万美元进口这种钛件。”但曹春晓觉得:不能就这样轻易放弃。外国人能干的事情,咱们中国人也能干!于是,他再一次发挥了“钛合金”坚韧的毅力,主动要求带队组成联合课题组,研制新一代钛合金材料。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,显著改善了大锻件内部组织性能的均匀性和稳定性,使 TC11钛合金材料和模盘锻件的组织性能不仅与国外同类产品相当,而且其中的一些关键性能显著高于国外同类产品的水平。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。1987年,曹春晓因在 TC11钛合金项目研究中的巨大贡献,作为第一完成人获得了国家科学技术进步一等奖。目前,TC11已成为我国军事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。

此后,曹春晓率领课题组,研究开发了 Ti-55, TD2(Ti3A l)等一系列的钛合金,进一步提高了飞机发动机的推重比。

2001年,鉴于他长期来对我国航空材料领域的突出贡献,曹春晓被授予了我国航空领域的最高奖项——航空报国金奖。

3 愿望:看到自己的大飞机飞上蓝天

目前,钛合金主要应用在航空发动机的叶片、盘、机匣和飞机的框架、机翼、起落架等一些地方。由于钛合金的密度比钢小得多,而强度又和钢接近,因此它可以大大减轻飞机的重量。“我们现在判断一种飞机先进不先进,结构重量是一个重要的考虑因素。”曹春晓说。此外,由于钛合金的耐腐蚀性很强,适应温度范围广 (从 -269℃到 600℃),也扩大了钛合金在飞机上的应用。

时至今日,钛合金已不仅仅局限于制造飞机,在人造卫星、导弹、核潜艇、核电、石油化工、海洋开发、设备制造等尖端科技领域,都有广泛应用。在我们的日常生活中,钛合金自行车架、钛合金高尔夫球头、钛合金镜架等也随处可见。曹春晓说,“此外,一些汽车的关键部位也在使用钛合金;医院手术使用的心脏起搏器外壳,也是由钛合金制造的;有些患者进行接肢手术时,也需要用到钛合金针和钛合金骨;在各大牙科医院,钛合金烤瓷牙也受到很多牙病患者的青睐。”

如今,年事已高的曹春晓始终站在钛合金研究的前沿。他告诉记者,自己希望能够给国家培养出钛合金等航空材料研究的后备人才。“只有这样,中国的航空材料研究才会在世界范围内立于不败之地。”曹春晓说,自己很想长寿,因为那样会拥有更多的时间,对中国的航空事业也会看得更远。他对记者透露了两个愿望:第一个是看到我国航空材料事业进一步发展,看到钛合金在飞机、发动机上的用量有更大的突破;第二个愿望是看到我国两种飞机飞上蓝天,一是我国自行研制的大飞机,二是下一代更加先进的战斗机。

“这次世界钛会在中国召开,对我们来说是一次机遇。”曹春晓说,“是让世界了解我们,也是我们了解世界钛工业发展的一次盛会,对促进我国钛工业的发展,提高我国钛工业的国际地位具有重要的作用。”

“随着钛合金制造工艺的日益成熟,未来它一定会越来越普遍地应用于生活的各个领域。但居高不下的制造成本会滞缓这种步伐。现在,如何改进工艺,降低钛合金的制造成本已成为下一个重要的研究方向。”采访结束后,在送我们离开北京航空材料研究院的路上,曹春晓说出了他另外一个心愿。“目前世界各国都在努力降低钛合金产品的成本,我相信,要不了多久,我们也会找到比较科学可行的办法。”

这一天,北京的天气很冷,西北风刺骨的吹着。可是这一刻,我们却感觉有一股热流在心底涌动。

(记者 曹祥汉)