風雨兼程六十載
碩果累累報祖國
1956年，22歲的曹春曉從上海交通大學金屬壓力加工專業(yè)畢業(yè)后來到了航材院工作，適逢當年航材院正在籌建日后在航空領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)代材料科學與技術的發(fā)展歷程中，航空材料一直扮演著先導和基礎作用，“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，在曹春曉與其他科技人員繼續(xù)努力與推動下，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)代化作出了重要貢獻。技術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)中的應用奠定了基礎，起到了開路先鋒的作用。”
1979 年，我國決定用殲8Ⅱ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)造性地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)應用方面比較成熟，自研發(fā)成功至今，不僅大批量地應用于渦噴13發(fā)動機，而且推廣應用到昆侖、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用典型零件的TC11合金應用研究工作，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℃高溫鈦合金的應用研究”這一重點預研項目的負責人，率領跨部門的大型聯(lián)合課題組，突破了八大關鍵技術，圓滿地完成了預定任務，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用，標志著我國高溫鈦合金的應用達到了新水平，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熱處理等關鍵技術方面具有創(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”等技術難關，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)技術司和國家高技術新材料領域?qū)＜椅瘑T會授予的“重要貢獻獎”。他為把這一高風險的“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鍵技術、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。
在學術理論上曹春曉也頗有建樹。他先后發(fā)表論文200余篇，在國內(nèi)外鈦學術界頗有影響。1978年他從英國考察鈦合金回來，主導撰寫了10.25萬字的考察報告，受到了各有關廠、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合金力學性能的影響”的論文，在當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)對力學性能起關鍵作用的獨到見解，引起了各國學者的廣泛重視。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用基礎研究工作和發(fā)表學術論文，而這些學術思想的形成和交融正是他能取得上述累累碩果的基礎。
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域中得到了迅速的發(fā)展。該應用主要是利用了鈦合金優(yōu)異的綜合力學性能、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)定性也使之被應用于噴氣式發(fā)動機上。提升飛機性能的關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，使航空應用領域越來越離不開鈦。鈦合金是當代飛機和發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)材料之一，應用它可以減輕飛機的重量，提高結(jié)構(gòu)效率。
曹春曉表示，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。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。
當前復合材料和鈦合金這些材料得到大規(guī)模的發(fā)展和應用，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，復合材料與鈦合金是“最佳伴侶”，相輔相成，互相促進。復合材料含有碳纖維，應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。
曹春曉總結(jié)道，鈦合金越來越受到廣泛的應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。
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。
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