高強耐熱的鈦基復(fù)合材料投入使用讓航空航天器輕裝上陣性能升級

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航空航天是高技術(shù)、高投入、高風(fēng)險、高回報和高牽引的領(lǐng)域。從C919國產(chǎn)大飛機成功商飛，到神舟號航天員乘組圓滿完成出艙活動，我國航空航天事業(yè)發(fā)展進入“快車道”。這些成就的取得，離不開新型材料，特別是輕質(zhì)高強金屬基復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。

相較傳統(tǒng)高溫合金，鈦基復(fù)合材料以陶瓷顆粒作為增強相，在同等體積下可減重40%以上，每年節(jié)省燃料數(shù)百萬噸，是實現(xiàn)航空航天高端裝備輕量化、提高裝備功效和技術(shù)性能的關(guān)鍵戰(zhàn)略新材料之一。其在航空、航天、民用高端裝備等領(lǐng)域的關(guān)鍵部件中有著巨大應(yīng)用潛力。因此，研發(fā)低成本、高性能且技術(shù)自主可控的航空航天等高端裝備用耐熱高強鈦基復(fù)合材料十分關(guān)鍵。

中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)教授張荻，上海交通大學(xué)研究員呂維潔帶領(lǐng)團隊，經(jīng)過二十余年潛心研究，形成了耐熱高強鈦基復(fù)合材料的制備加工關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)自主可控。該材料在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出的高穩(wěn)定性和強度使得我國航空航天器能夠在極端苛刻的服役環(huán)境中穩(wěn)定運行，為我國航空航天高端裝備發(fā)展提供有力支撐。2023年度上海科技獎日前頒發(fā)，“耐熱高強鈦基復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”項目獲得2023年度上海市技術(shù)發(fā)明獎一等獎。

基礎(chǔ)研究筑牢創(chuàng)新根基

傳統(tǒng)鈦基復(fù)合材料通常采用外加法生產(chǎn)，存在成本高、基體和增強體之間界面結(jié)合性能差、界面反應(yīng)嚴(yán)重、成材率低的問題。研究團隊創(chuàng)新性提出原位自生的學(xué)術(shù)思想和技術(shù)原型，利用傳統(tǒng)鈦合金的熔煉和熱成型設(shè)備簡捷、低成本制備出高性能鈦基復(fù)合材料，降低了該材料的工業(yè)化生產(chǎn)難度。但由于原位自生增強體在熔煉過程中形核與“長大”，因此，增強體的優(yōu)化控制是關(guān)鍵難題。

呂維潔介紹：“增強體的優(yōu)化控制就像人類培育孩子，通過優(yōu)生生出一個身體底子棒的嬰兒，再經(jīng)過優(yōu)育進一步提升孩子的素質(zhì)，成為國家的棟梁之材?！?/p>

團隊通過創(chuàng)新突破了多元多尺寸增強體形狀、尺寸、分布控制的困境；通過復(fù)合化技術(shù)，提升了傳統(tǒng)鈦合金的性能，使其能夠應(yīng)對航空航天關(guān)重零部件面臨的更高溫度和沖擊載荷的挑戰(zhàn)，提高了航空航天裝備的性能和可靠性。呂維潔介紹，針對傳統(tǒng)鈦基復(fù)合材料存在的強塑性匹配不佳等問題，團隊專注機理研究，提出多元增強體有序分布與耦合強化方法，構(gòu)建了新的力學(xué)模型，創(chuàng)制出航空航天用新一代輕質(zhì)高強耐熱600℃—800℃鈦基復(fù)合材料，其在室溫和高溫條件下的各項性能指標(biāo)均達到國內(nèi)領(lǐng)跑、國際領(lǐng)先的水平。

精細(xì)加工實現(xiàn)社會效益

新材料對制備工藝提出了更高要求。非連續(xù)增強鈦基復(fù)合材料具有硬度高、彈性模量大、加工硬化嚴(yán)重等特性，這導(dǎo)致傳統(tǒng)的加工方法難以滿足材料精密成形的需求。在制備過程中，如要保證復(fù)合材料的性能穩(wěn)定性，需要對制備工藝進行精細(xì)控制。

“解決這些問題，迫切需要開發(fā)先進精密成形技術(shù)，以應(yīng)對鈦基復(fù)合材料的加工挑戰(zhàn)?！眳尉S潔說。

團隊針對鈦基復(fù)合材料復(fù)雜構(gòu)件難以加工成形的問題，建立了動態(tài)再結(jié)晶誘發(fā)大塑性加工技術(shù)，并為航空航天重大裝備提供了千余套鈦基復(fù)合材料構(gòu)件。

如今，先進金屬基復(fù)合材料已在航空航天應(yīng)用，并向新能源、現(xiàn)代交通及船舶與海洋工程等多個領(lǐng)域逐步擴展，正從“貴族”材料向“平民化”發(fā)展。

一組數(shù)據(jù)體現(xiàn)了新材料發(fā)揮的巨大作用。在民用大型能源化工裝備領(lǐng)域，應(yīng)用該新型復(fù)合材料后，在650℃環(huán)境下，離心式壓縮機葉輪線速度較之前提高40%、壓縮比提高33.3%，年節(jié)省能耗8%。在航空航天領(lǐng)域，新型復(fù)合材料在800℃的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下，使得先進裝備的轉(zhuǎn)動慣量大幅度降低，為裝備關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)提供了關(guān)鍵支撐。

目前，團隊獲得授權(quán)中國發(fā)明專利26項，制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5項，發(fā)表SCI論文100余篇。團隊還建立了國內(nèi)領(lǐng)先的鈦基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化基地——浙江嘉鈦金屬科技有限公司。該公司建立了熔煉、等溫鍛造、精密鑄造等產(chǎn)線，實現(xiàn)了大規(guī)格鑄錠、棒材、等溫鍛件、精密鑄件、寬幅厚板、薄板的工業(yè)化生產(chǎn)。