人類在大約公元前五千年由石器時代進入青銅時代，而后又在公元前一千二百年步入了所謂的鋼鐵時代。在煉銅技術(shù)逐步提升時，我們的祖先已經(jīng)不知不覺的發(fā)現(xiàn)了合金，合金由此開始循序漸進地走進人類的生活實踐。近代以來，鈦合金登上了世界工業(yè)舞臺，成為了社會經(jīng)濟發(fā)展中尤其是高端裝備中不可替代的材料。當(dāng)你聽聞C919 大飛機正式下線之時，當(dāng)你聽聞新型戰(zhàn)機試飛成功之時，到你看到中國洲際彈道導(dǎo)彈亮相天安門之時，當(dāng)你看到“霹靂火”直10 武裝直升機騰飛時，當(dāng)你為我們祖國空軍的不斷強大而激動自豪時，你可曾想到這些高端裝備上用到一種至關(guān)重要的材料——鈦合金，它的應(yīng)用比例是一個國家航空工業(yè)發(fā)展水平的象征！

    鈦合金密度低、比強度高、耐腐蝕……這些突出優(yōu)點使其在飛機結(jié)構(gòu)和航空發(fā)動機中獲得了廣泛的應(yīng)用。有這樣一位老人為鈦合金的研制和中國航空事業(yè)的發(fā)展嘔心瀝血，貢獻了自己的全部青春和畢生精力。他就是中國科學(xué)院院士、著名航空材料專家、我國航空工業(yè)鈦合金研究與應(yīng)用的創(chuàng)始人之一，“航空報國金獎”、“航空航天月桂獎終身奉獻獎”得主曹春曉院士。6 月30 日上午，記者前往中國航空發(fā)動機集團北京航空材料研究院（以下簡稱航材院）感受了這位82 歲科學(xué)家的科研人生。

曹春曉院士

    風(fēng)雨兼程六十載 碩果累累報祖國

    曹春曉出生在煙雨江南，求學(xué)在上海，學(xué)成后北上京城，在西山腳下的航材院數(shù)十年如一日從事鈦合金的科研工作，并成為國內(nèi)外知名的鈦合金專家。

    1956 年，22 歲的曹春曉剛從上海交通大學(xué)金屬壓力加工專業(yè)畢業(yè)后來到了航材院工作，適逢當(dāng)年航材院正在籌建日后在航空領(lǐng)域大顯身手的中國第一個航空鈦合金試驗室，曹春曉有幸成為其中的一員，并由此走進了一個神秘而又嶄新的世界， 實現(xiàn)他獻身于國防科技事業(yè)的夙愿。

    在現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷程中，航空材料一直扮演著先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用，“一代材料，一代裝備”。隨著美國普惠公司首次研制出的鈦合金葉片被成功的應(yīng)用于航空發(fā)動機上，具有優(yōu)異特性的鈦合金在各種航空結(jié)構(gòu)材料中的使用比率也不斷上升，并逐步成為現(xiàn)代航空器不可或缺的材料，盡快將鈦合金應(yīng)用到飛機制造業(yè)，也是我國航空發(fā)展史中必不可少的環(huán)節(jié)。

    1965 年，曹春曉肩負課題負責(zé)人的重任，選擇TC4 鈦合金為突破口，創(chuàng)造性地解決了各種技術(shù)難題，曹春曉團隊終于研制出來由鈦合金制成的飛機發(fā)動機葉片。

    1966 年，我國第一臺裝上鈦合金葉片的航空發(fā)動機長期試車成功，掀開了我國航空發(fā)動機用鈦史的第一頁，實現(xiàn)了零的突破。此后的十幾年中，在曹春曉的推動下，與其他科技人員繼續(xù)努力，將TC4 鈦合金葉片和壓氣機盤擴大到五六種機型之中，取代原來笨重的鋼葉片和鋼盤，顯著地減輕了發(fā)動機重量，提高了發(fā)動機的推重比，為我國空軍裝備的現(xiàn)代化做出了重要貢獻。技術(shù)鑒定會為其作出了中肯的鑒定：“TC4 合金產(chǎn)品的組織性能達到了國際及美國宇航材料標準，它的研究成功為我國鈦工業(yè)的發(fā)展和在航空工業(yè)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，起到了開路先鋒的作用。”

    1979 年，我國決定用殲8 Ⅱ等新型殲擊機裝備空軍，新型機所用渦噴13 系列發(fā)動機需要一種耐熱溫度、拉伸強度比TC4 高的TC11 鈦合金，用以制造第三至第八級壓氣機盤、轉(zhuǎn)子葉片和第一至第七級靜子葉片。由于研制難度大， 冶金部和航空部一度考慮花500 萬美元從國外購買。曹春曉得知后，決定率領(lǐng)航空部內(nèi)外的同仁展開了攻堅戰(zhàn)，研發(fā)我們國家自己的鈦合金。鈦合金大型模鍛件及其坯料的金相組織很不均勻是長期未能解決的“老大難”問題，他十分清楚，他們的研究對于新中國的軍事、經(jīng)濟和社會發(fā)展，具有重要的戰(zhàn)略意義。記不清在多少個廢寢忘食的日日夜夜之后，曹春曉創(chuàng)造性的提出了一種高低溫交替的新型鍛造工藝，能顯著改善大鍛件內(nèi)部組織性能的均勻性和穩(wěn)定性。

    裝上了TC11 合金的渦噴13 發(fā)動機按計劃順利通過了長期試車。由于TC11鈦合金具有優(yōu)良的綜合性能，且工程化生產(chǎn)應(yīng)用方面比較成熟，自研發(fā)成功至今，不僅大批量地應(yīng)用于渦噴13 發(fā)動機，而且推廣應(yīng)用到昆侖、渦扇9 等發(fā)動機，成為我國軍工系統(tǒng)用量最大的一種鈦合金。該成果獲得了1987 年國家科技進步一等獎（他是第一完成人）。

    之后，曹春曉又主持開展了以殲7型機減速傘艙梁為應(yīng)用典型零件的TC11合金應(yīng)用研究工作，與團隊成員一起首創(chuàng)了BRCT 熱處理工藝，使TC11 合金變成了獨樹一幟的兼有“四高二低”（高溫、高強度、高韌性、高剛性、低密度、低裂紋擴展速率）特性的鈦合金。該成果獲得了1995 年度國家發(fā)明三等獎（他是第一發(fā)明人）。

    1986 年開始，為進一步提高發(fā)動機的推重比，迫切需要研制和應(yīng)用一種能耐更高溫度的新型鈦合金。于是曹春曉作為“550℃高溫鈦合金的應(yīng)用研究”這一重點預(yù)研項目的負責(zé)人，率領(lǐng)跨部門的大型聯(lián)合課題組，突破了八大關(guān)鍵技術(shù)，圓滿地完成了預(yù)定任務(wù)，通過了部級鑒定。鑒定委員會認為：“Ti-55 合金是我國獨創(chuàng)的含稀土元素釹的550℃ 高溫鈦合金，該合金在某新型航空發(fā)動機壓氣機盤、葉片和鼓筒上的成功應(yīng)用， 標志著我國高溫鈦合金的應(yīng)用達到了新水平，形成了由TC4、TC11、Ti-55 組成的航空發(fā)動機用主要鈦合金系列”， “在率先應(yīng)用含釹新型鈦合金以及急冷式β 模鍛、三重式α+β 熱處理等關(guān)鍵技術(shù)方面具有創(chuàng)新性”。該項目于1998 年獲國家科技進步二等獎。

    此后，始終關(guān)注科技前沿的曹春曉獲悉國外有人正在研制一種使用溫度可達650-700℃的金屬間化合物Ti3Al 后，隨即提出立項論證報告，被列入國家“863”高科技項目。他率領(lǐng)課題組創(chuàng)造性地采用了具有我國自己特色的熔煉、鍛造和熱處理工藝 （其中新型均勻化熔煉技術(shù)已獲國家發(fā)明專利，他是第一發(fā)明人），突破了“室溫脆性” 等技術(shù)難關(guān)，成功地研制出了我國第一批Ti3Al 合金航空發(fā)動機零件。1990 年底，他為此獲國家科委工業(yè)技術(shù)司和國家高技術(shù)新材料領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會授予的“重要貢獻獎”。他為把這一高風(fēng)險的“革命性”材料推向?qū)嵱没鞒鲂碌呐ΑＴ诖罅啃阅軘?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，一臺裝有Ti3Al 合金（TD2）零件的航空發(fā)動機首次試車成功，在整個金屬間化合物領(lǐng)域中起到了示范帶頭作用。在1996 年評審驗收中被國防科工委和中國航空工業(yè)總公司專家組評為A 級。部級鑒定意見中指出：“TD2 合金工藝及性能穩(wěn)定， 拉伸強度、塑性、斷裂韌性、沖擊韌性等關(guān)鍵性能優(yōu)于美國同類合金（超α2 合金），在均勻化熔鑄工藝等實用化關(guān)鍵技術(shù)、性能系統(tǒng)研究以及Ti3Al 基合金轉(zhuǎn)子零件率先地面臺架試車等方面居國際領(lǐng)先地位。”

    其后，他與課題組同志一起，又研究成功一種綜合性能更優(yōu)的新一代Ti3Al 合金（TD3），并在生產(chǎn)條件下研制出我國迄今為止最大的Ti3Al 合金鍛件。與此同時，他還在積極研究可在750- 850℃下長期工作的TiAl 合金，已取得重要進展。

    在學(xué)術(shù)理論上曹春曉也頗有建樹。他先后發(fā)表論文二百余篇，在國內(nèi)外鈦學(xué)術(shù)界頗有影響。1978 年他從英國考察鈦合金回來，主導(dǎo)撰寫了10.25 萬字的考察報告，受到了各有關(guān)廠、所、院、校的廣泛好評。1980 年他赴日本，在第四屆鈦國際會議上發(fā)表了題為“β 轉(zhuǎn)變組織形態(tài)等組織特征對Ti-6Al-4V 合金力學(xué)性能的影響”的論文，在當(dāng)時科技界普遍偏重控制鈦合金等軸初生α 含量的情況下，他闡明了β 轉(zhuǎn)變組織形態(tài)對力學(xué)性能起關(guān)鍵作用的獨到見解，引起了各國學(xué)者的廣泛重視。他參與編寫的《鍛件質(zhì)量分析》一書獲1983 年全國優(yōu)秀科技圖書二等獎。他先后圍繞鈦合金β 脆性形成和消失的塑變條件、高低溫交替熱變形技術(shù)基本原理、各類顯微組織的形成和變化規(guī)律、疲勞與斷裂行為及其特征、釹在鈦合金中的存在形態(tài)和強化機制、鈦燃燒及阻燃機理、鈦基復(fù)合材料中富釹氧化物顆粒的析出行為、各種元素在Ti3Al 和TiAl 合金中的作用規(guī)律和機理等方面深入開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作和發(fā)表學(xué)術(shù)論文，而這些學(xué)術(shù)思想的形成和交融正是他能取得上述累累碩果的基礎(chǔ)。

    曹春曉從青年時代起開始與鈦合金結(jié)緣，彈指一揮間，六十載歲月匆匆而過。如今，已步入耄耋之年但銳氣不減當(dāng)年的他，仍然堅守在科研工作第一線，為我國的科研事業(yè)繼續(xù)貢獻著智慧和力量。

    回首幾十年的科研生涯，曹院士感慨道：“我只是眾多科研工作者中的一員，能為祖國的建設(shè)發(fā)展做一些事情，我感到很自豪！”

    打造航空強國夢 不可或缺鈦材料

    從20 世紀50 年代開始， 鈦合金在航空航天領(lǐng)域中得到了迅速的發(fā)展。該應(yīng)用主要是利用了鈦合金優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、低密度以及良好的耐蝕性， 比如航空構(gòu)件要求高抗拉強度并結(jié)合有良好的疲勞強度和斷裂韌性。而鈦合金的優(yōu)異的高溫抗拉強度、蠕變強度和高溫穩(wěn)定性也使之被應(yīng)用于噴氣式發(fā)動機上。提升飛機性能的關(guān)鍵之一就是要減輕飛機的結(jié)構(gòu)重量，對結(jié)構(gòu)輕量化等方面有增無減的剛性需求，使航空應(yīng)用領(lǐng)域越來越離不開鈦。鈦合金是當(dāng)代飛機和發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)材料之一，應(yīng)用它可以減輕飛機的重量，提高結(jié)構(gòu)效率。

    曹院士表示我國航空材料的發(fā)展水平也正在由材料大國向材料強國過渡。目前世界上已在使用的合金，我國基本上都具備研發(fā)出來的能力，而且還擁有一些具有自主知識產(chǎn)權(quán)的合金件工藝技術(shù)。近十年來，我國的鈦合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，鈦材產(chǎn)量已列居世界第一位，整體鈦合金發(fā)展水平也居于世界先進水平，然而目前國內(nèi)的鈦合金材料研究原始創(chuàng)新稍顯不足，要在鈦業(yè)大國的基礎(chǔ)上，邁進鈦業(yè)強國，需要提升自主創(chuàng)新能力，增強原始創(chuàng)新能力，研發(fā)一些具有自主知識產(chǎn)權(quán)的可以在國際上叫得響的航空材料。

    當(dāng)前復(fù)合材料和鈦合金這些材料得到大規(guī)模的發(fā)展和應(yīng)用，過去使用Ti-6AI-4V（TC4）鈦合金，現(xiàn)在我們在繼續(xù)使用的同時，還研發(fā)出強度等性能更高的鈦合金新品種，經(jīng)過多年試驗，飛機很多部件已開始使用這些新的鈦合金。此外，另一具有斷裂韌性高、疲勞裂紋擴展速率慢等特點的新品種合金-- 高損傷容限鈦合金的出現(xiàn)，也是飛機上的鈦合金用量越來越多的重要原因。

    另一方面，復(fù)合材料與鈦合金是“最佳伴侶”，相輔相成，互相促進。復(fù)合材料含有碳纖維，應(yīng)用中如果與鋁合金接觸，碳纖維與鋁合金之間有電位差， 而隨著時間推移鋁合金會被慢慢腐蝕， 降低飛機安全性。因此，與復(fù)合材料接觸使用的鋁合金，就需由鈦合金來代替以提高和保證飛機的安全性。

    曹院士總結(jié)道，鈦合金越來越受到廣泛的應(yīng)用主要原因有兩個方面：一方面是因比強度高而減輕飛機的結(jié)構(gòu)重量；另一方面是由于耐腐蝕性優(yōu)良。

    談及到飛機在嚴酷的海洋環(huán)境服役中如何防護時，曹院士說，由于鈦合金具有很好的耐蝕性能，可以加大海洋服役環(huán)境中飛機的鈦合金使用比重，但由于鈦合金價格較高，出于經(jīng)濟考慮，鈦合金材料需用在刀刃上，在關(guān)鍵的部件上加大鈦合金的使用比重，以保證海洋服役環(huán)境中飛機的穩(wěn)定性和安全性。

    發(fā)展國產(chǎn)大飛機 四大原則需遵循

    當(dāng)前，歐美大型飛機機體的材料結(jié)構(gòu)正從以鋁合金為主過渡至以復(fù)合材料為主，新型大型飛機的材料技術(shù)特色首先是復(fù)合材料和鈦合金用量不斷創(chuàng)歷史新高，以大幅度減輕飛機結(jié)構(gòu)重量和降低燃油消耗；其次一些具有新意的材料技術(shù)先后會推出，其中包括復(fù)合材料整體機身段、全鈦發(fā)動機掛架、纖維金屬層板、第3 代鋁鋰合金、新型高強鋁合金、新型高強高韌鈦合金等。曹院士表示中國大型飛機的選材原則需做到以下幾點：

    （一）必須在更高的層次上綜合評估選材方案的安全性、經(jīng)濟性、舒適性和環(huán)保性。與小型飛機相比，大型飛機對選材的要求具有4 個“更高”的特點， 即更高安全性，更高經(jīng)濟性，更高舒適性和更高環(huán)保性。波音公司之所以把波音787 的復(fù)合材料用量增加至50％左右，就是認為這在更高層次上符合了“四性”的要求。其具體理由是：復(fù)合材料經(jīng)30 多年的研究和應(yīng)用，技術(shù)上已經(jīng)成熟，在安全可靠性上是符合要求的， 何況復(fù)合材料的損傷容限和抗蝕性顯著優(yōu)于鋁合金，更有利于耐久性和安全性的提高；飛機結(jié)構(gòu)重量大幅度減輕帶來的經(jīng)濟效益（包括燃油消耗和維修費用顯著降低等），遠遠超過了它的負面效應(yīng)（制造成本較高）；復(fù)合材料的應(yīng)用使舷窗尺寸加大30％，客艙濕度和氣壓有所提高，讓旅客享受更舒適的空中旅行；大量節(jié)省燃油也明顯有利于環(huán)保性。中國大型客機在推出之時，應(yīng)具有當(dāng)時的國際市場競爭力，因此其選材也必須充分考慮“四性”，否則就不具備與國外同類客機的競爭能力。這個要求非常高，難度很大，但又必須努力去達到。這是因為：一代材料，一代飛機。

    （二）必須盡早具備自主供應(yīng)關(guān)鍵材料的能力。對于大型客機用的材料， 可按市場競爭原則進行全球采購，但這個“全球”理應(yīng)包括國內(nèi)供應(yīng)商，特別對于關(guān)鍵材料，都應(yīng)盡早具備自主供應(yīng)的能力，大力安排國產(chǎn)關(guān)鍵材料的研制任務(wù)并及早解決適航問題，以免出現(xiàn)受制于人的被動局面。

    （三）必須充分考慮“材料共用， 成果共享”的原則。為了縮短中國的大型飛機研制周期、節(jié)省研制費用、降低銷售價格和提高成熟程度，建議設(shè)計和材料工作者緊密結(jié)合，盡可能增加不同用途大型飛機共用材料的比例。這樣做更有利于客機用國產(chǎn)材料通過適航條例。

    （四）必須重視先進材料特別是具有中國特色的先進材料的選用。既然要求中國大型客機要具有國際競爭力，就必須在符合安全性要求的前提下盡可能選用一些先進的航空材料，特別是要充分重視具有中國特色的先進材料的選用，例如TC21 鈦合金不僅具有國際先進水平的性能，而且在合金及其鍛造工藝上都具有自主知識產(chǎn)權(quán)。

    科研之路多磨礪 “三勤”“三善”伴我行

    當(dāng)記者問及年輕的一代從事科研工作該如何取得成功？曹院士表示年輕人應(yīng)做到“三勤”“三善”。他列出了四個要素：天資、勤奮、機遇、修養(yǎng)。他解釋道：主要是勤奮和修養(yǎng)。勤奮包括三個方面：勤學(xué)習(xí)、勤實踐、勤思考。謂之“三勤”，缺一不可。修養(yǎng)方面則要做到“三善”：善自控、善合群、善生活。曹院士本人就是“三勤”、“三善”的一個很好的榜樣。他既是一種事業(yè)型的人，又有著廣泛的業(yè)余愛好和豐富的精神生活：體育、音樂、跳舞、下棋、種花養(yǎng)草等都是他業(yè)余的愛好和休閑方式。這位大學(xué)時代就入黨的學(xué)者， 集中了新中國培養(yǎng)出來的第一代知識分子的諸多優(yōu)點：勤奮、刻苦、事業(yè)心強、責(zé)任感強、淡泊名利、報效祖國。這些言簡意賅、意蘊深長的格言既是他處世經(jīng)驗的提煉，也是指導(dǎo)他走向輝煌人生的路標，同時也為現(xiàn)代從事科研工作的年輕人指引前進的方向！

    后記：如今，中國的航空夢已經(jīng)撥云而出。只要科研工作者心懷祖國、情系航空、志在超越、腳踏實地、創(chuàng)新圖強、團結(jié)和諧，相信中國自主設(shè)計制造的一代又一代先進的飛機和航空發(fā)動機就一定能不斷展現(xiàn)于世界航空之林。

    人物簡介

    曹春曉，浙江上虞人，中國科學(xué)院院士，材料科學(xué)家，國家級突出貢獻專家，中國鈦合金研究與應(yīng)用的創(chuàng)始人之一。現(xiàn)任中國航空發(fā)動機集團北京航空材料研究院研究員、博導(dǎo)、學(xué)位評定委員會主席，國家國防科工局科技委委員兼大型飛機材料研制專家咨詢組組長、國家大型飛機重大專項專家咨詢委員會委員、中國有色金屬學(xué)會資深常務(wù)理事、《材料工程》雜志主編等。曾任全國博士后管委會材料科學(xué)與工程專家組組長、國防科工委專家咨詢委員會委員、中國機械工程學(xué)會塑性工程學(xué)會理事長、中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鈦業(yè)分會會長、南昌航空大學(xué)學(xué)術(shù)委員會主任、先進高溫結(jié)構(gòu)材料國防科技重點實驗室學(xué)術(shù)委員會主任等。

    他長期從事以鈦合金為主的航空材料研究和應(yīng)用工作，不斷開創(chuàng)創(chuàng)新型鈦合金和鈦- 鋁系金屬間化合物及其制備工藝，獲得國家級和部級科技成果獎16 項，其中國家科技進步一等獎（第一完成人）1 項、二等獎3 項、國家發(fā)明三等獎2 項。發(fā)表論著200 余篇。1993 年被航空航天部評為優(yōu)秀研究生導(dǎo)師，1996 年獲光華科技基金獎一等獎，1997 年當(dāng)選中科院院士，2001 年獲中國航空工業(yè)系統(tǒng)最高獎-- 航空報國金獎，2006 年獲航空報國突出貢獻獎，2012 年獲中國鈦工業(yè)杰出貢獻獎，2013 年獲航空航天月桂獎終身奉獻獎，2014 年獲中國航空學(xué)會杰出貢獻獎， 2016 年獲中國有色金屬學(xué)會中國鈦科技終身成就獎。

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