天辽海阔 “钛”造神奇——访中国科学院院士曹春晓

◎ 文 / 李 臻

曹春晓

中国科学院院士，材料科学家、钛合金专家，中国钛合金研究和应用的创始人之一，“航空报国金奖”得主。现为北京航空材料研究院研究员、博士生导师、学位评定委员会主席，南昌航空大学教授和原学术委员会主任（现为名誉主任），国家大型飞机重大专项专家咨询委员会委员， 中国有色金属学会资深常务理事，《材料工程》杂志原主编（现为编委会名誉主任）等。

编者按

“一代材料，一代飞机”，是世界航空发展史的真实写照。100多年来，材料与飞机相互依赖、相互推动发展。钛合金因具有优异性能而在众多航空新材料中脱颖而出，本刊记者近日就钛合金的发展及应用情况采访了中国钛合金研究和应用的创始人之一 ——中国科学院院士曹春晓。

记者：C919的起飞实现了我国的大飞机梦，我国大飞机的发展进入快车道，请您跟我们介绍一下飞机机体材料的发展历史。

曹院士：材料演变的过程也是飞机不断发展的过程，随着飞机的飞行速度和高度不断提高，对机体材料的要求也逐渐提高。飞机机体上使用的主要材料经历了五个阶段。第一阶段始于100多年前，机体材料最开始采用的是木布结构，是用木头和布做成的材料，其中夹带一些钢丝。第二阶段始于20世纪初，因木布结构无法承受较快的飞行速度，机体材料变更为金属材料，铝和钢结构能耐一定温度而被大量应用。第三阶段是自20世纪50年代开始，超音速飞机出现，要求材料的比强度更高，重量更轻，钛合金与其他材料相比具有更高的比强度，此外，钛合金在中温（600℃以下）时与铝合金相比能更好地保持其强度，自此钛合金开始进入飞机的结构材料。第四阶段是从20世纪七八十年代开始，复合材料因具有更高的比强度，逐渐在机体上应用，但最开始只是少量使用，铝合金等材料的用量仍然最大。第五阶段是自21世纪初至今，复合材料逐渐成为首席材料的阶段，同样还是这4种材料，但复合材料的用量最大，所占比例超过50%甚至70%～80%。表1展示了复合材料用量占首席的代表性飞机型号，可以看出，X-45B上的复合材料用量达到90%，占有绝对优势。

表1 复合材料用量占首席的代表性飞机

表2 国内外飞机上钛合金用量统计表

记者：航空发动机作为飞机动力装置，是航空工业中技术含量最高、难度最大的部件之一，航空发动机上都应用了哪些材料？

曹院士：航空发动机要求金属结构材料具备轻质、高强、高韧、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能，这几乎是结构材料中最高的性能要求，研究人员先后将钢、铝合金、钛合金、高温合金（镍基）、复合材料等用于发动机上。目前发动机上材料用量排在前三位的分别是镍基高温合金、钛合金和钢。

高温合金是为了满足现代航空发动机对材料的苛刻要求而研制的，能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作，至今已成为航空发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。钛合金能耐600℃以下温度，比强度高于铝合金和结构钢，且具有良好的耐腐蚀性，因而在发动机上得到了广泛应用。铝合金因耐高温性能较差，抗腐蚀性能不好，而用量较少。复合材料只能在300℃以下的温度使用，限制了其在发动机上的应用。

复合材料、钛合金、铝合金、钢和高温合金是飞机及发动机的五大候选材料，它们一直在竞争中互相促进，优势互补，不断发展。虽然，复合材料和钛合金在比强度、抗腐蚀性能等方面具有优势，但铝合金和钢在工艺性能及经济性能等方面具有优势，高温合金则在航空发动机上占有公认的首要地位。还必须指出的是，铝合金和钢一直在努力发展新的高性能新品种而不断提高其竞争力。因此，目前总的趋势是复合材料和钛合金应用逐渐增加，但铝合金和钢依然是不可或缺的重要航空材料。

记者：近年来，航空领域的发展开始拉动钛材料用量的增长，请您谈谈钛合金具有哪些优势？

曹院士：钛合金具有比强度高、抗腐蚀性能好等优势，而且能够进行各种方式的零件成型、焊接和机械加工，因而在先进飞机和发动机上获得了广泛应用。

当今，钛合金用量占飞机结构质量的百分比已成为衡量飞机用材先进程度的重要标志之一，钛合金在国内外飞机上的用量也随飞机设计和性能水平的提高而不断增加。以前钛合金的用量可能在百分之几，多的能达到百分之十几，如A380的钛合金用量是8%，在国外投入航线里面的民用飞机中，钛合金用量最多的是波音787，达到15%，俄罗斯正在研制的MS-21，预计钛合金用量要达到25%，当然这是一个可能性，犹待今后观察。军用飞机上的钛合金用量多一些，因为更注重飞机的作战性能，对灵活性、速度、高度等性能要求较高，如F22的钛合金用量达到40%左右，钛合金成为该型号飞机用量最多的材料。

在我国，民航小飞机使用了少量钛，到C919上升到8%，这个已经跟美国的波音777相当。另一个例子是我国的运20，它的钛合金用量跟美国的C17相当，也是10%左右。为了更清晰地展现近年来钛合金在飞机上使用的情况，将相关数据列于表2。

50多年来，在我与团队同事们的共同努力下，随着材料和工艺的不断改进，钛合金的最高使用温度逐渐提高。

我们采用TC4钛合金取代钢制成涡喷6压气机叶片和盘，1966年首次通过长期试车，翻开了我国航空用钛史的首页，TC4的最高使用温度为400℃，如图1所示。继TC4之后，我们又开发出TC11钛合金，并将其用于涡喷13发动机压气机转子，其材料及工艺研究于1987年获国家科技进步一等奖，TC11的最高使用温度为500℃，如图2所示。图3为采用TA12钛合金制成的新型发动机压气机盘、鼓筒及叶片，1998年其材料及工艺研究获国家科技进步二等奖，TA12的最高使用温度为550℃。

随着航空发动机推重比的提高，高压压气机出口温度升高，导致钛合金的工作温度不断升高，单纯采用固溶强化的钛合金难以满足600℃以上温度环境对钛合金蠕变抗力和强度的要求，有序强化的钛–铝系金属间化合物因具有高比强度、比刚度、高蠕变抗力等而成为600℃以上温度非常有使用潜力的候选材料。图4为采用TD2合金制成的导风板（上）和结合环（下），TD2合金属于Ti3Al基金属间化合物，最高使用温度为650℃。

记者：我国钛合金材料目前的发展趋势如何？在其技术应用发展过程中有何困难？

曹院士：我国钛资源丰富，钛材的生产已形成一定的规模，我们已经对钛开展了一些基础性和应用性的研究，但总的来说，还需要大力提高研究水平和产品等级。随着国内航空技术的发展，对轻量化和材料耐热性的要求越来越高，钛合金在航空领域的应用将越来越广泛。

广义的钛合金包括传统钛合金、钛铝金属间化合物和钛基复合材料，可称之为“三钛”。当前，总的发展趋势是从传统钛合金独领风骚向“三钛”鼎立逐渐过渡，这意味着钛合金在飞机和航空发动机上的应用范围将进一步扩大，也必将促进结构重量的进一步减轻和燃油消耗的进一步降低。

钛合金具有很多其他材料无法比拟的优势，但因为其价格较贵而大大限制了其应用，如何优化技术、降低成本，成为钛产业发展的战略性关键问题。此外，钛合金等航空材料存在的另一个主要问题是批量生产的稳定性，在批量生产时经常会出现质量问题，这主要是受生产管理及人为因素的影响。应从以下几方面着手解决以上问题。

第一，生产系统的大型化、自动化是海绵钛工业发展的必然趋势，可以在一定程度上提高海绵钛质量、降低钛成本。

第二，提高管理水平，操作过程中产生的很多问题有可能是管理不当造成的，执行不力、有令不行的现象十分常见，管理层应增强责任意识，注重加强对操作人员的培训和管理。

第三，尽快推动热加工的数控化，人的个体差异往往会带来产品质量的波动，在执行工艺时选用计算机控制，质量波动会比较小，不断加强热加工装备和工艺的数控化是我们今后必须走的道路。当然智能制造发展需要一个过程，绝不是一蹴而就的。

记者：节能减排的“绿色航空”是目前国内外共同追求的目标，随着钛材需求的大幅提升，钛产业也面临环境保护问题，请您结合钛产业谈谈响应“绿色航空”的号召，应从哪些方面着手？

曹院士：绿色航空从可持续发展的全新角度来审视航空产业的发展，引导航空发展转向服务、安全、绿色模式，主要包括推进清洁生产、发展新能源产业等方面，其中推进清洁生产又包括节能技术改造、优化污染物管理、资源循环利用等几方面。

就优化污染物管理而言，可以选用轻质材料来减少污染，因为轻质材料在降低整体结构重量的同时，也能减少飞机消耗的燃油量，与此同时，飞行过程中废气排放量也会相应降低，更有利于环保。而钛合金的比强度要比钢和铝合金高，使用温度要比复合材料和铝合金高，耐腐蚀性要比钢和铝合金好，钛合金等新型材料的使用，正是响应“绿色航空”号召的技术应用体现。与此同时，钛是一种生物相容性好的金属材料，也耐腐蚀，本身就是绿色材料。

要解决钛合金生产过程中的环境污染问题。长远来看，一定要实现绿色航空。习总书记提出，绿水青山就是金山银山，因此不符合绿色航空要求的状况必须彻底改变。但治理污染需要花大量经费和精力，彻底解决也需要一个过程。

记者：钛既能应用在军事领域，又能应用于民用领域，请您谈谈钛合金在军民领域的应用情况。

曹院士：钛的特性比较多，其产品是军民两用的，无论我国还是国外，钛合金一般都先用在军用领域，用了之后效果好就扩展到民用领域。军用和民用应互相促进、互相融合，目前，民航飞机和军用飞机上都使用了钛合金，钛在建筑、汽车、海洋工程、医疗和体育用品等方面的应用越来越多。

航空母舰上的歼击机使用了较多钛，就是因为钛合金的抗海水腐蚀性最好，铝合金和不锈钢都不如钛合金。核潜艇上也大量使用了钛合金，钛合金的比强度高，在海底能承受住较大压力。

在民用领域，钛合金在化工上用得最多，开采石油时钻井的钻头和石油运输管道都使用了很多钛，可以抵抗海水和石油的腐蚀。钛合金因具有比强度高、耐腐蚀、质轻、生物相容性良好等优势，而在生物领域大放异彩，例如，3D打印的钛合金被用于制作人工关节，钛合金还被做成种植牙等植入人体。此外，钛合金还被做成手表、电热壶、保温杯等多种制品，并已进入市场。近日，一款全世界独一无二的钛结构汽车亮相，惊艳四座，而其所用主要结构材料正是钛合金。钛合金在民用领域的发展也正在驶入快车道。