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趙永慶:應國家所需,發展低成本、高性能鈦合金

發布日期:2019-06-19  瀏覽次數:131
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   金屬被譽為“現代金屬”、“戰略金屬”,是提高裝備性能的關鍵材料,也是現代國防建設的重要支撐材料和國民經濟發展不可缺少的重要材料。近些年來,我國的鈦合金工業得到了長足發展,廣泛地在化工、航空、航天、艦船、核電、生物醫療等領域發揮著重要的作用。為了全面科普鈦合金的相關知識,探索鈦合金的研究進展及未來趨勢。本期我們邀請到了鈦合金研究領域的權威專家、西北有色金屬研究院副總工程師趙永慶教授做相關方面的精彩解讀。
  趙永慶,西北有色金屬研究院副總工程師、陜西省鈦工程技術研究中心主任等,國家973計劃首席科學家(鈦合金),國家重點領域創新團隊“鈦合金研制創新團隊”帶頭人。一直從事是鈦合金的研究與開發,在鈦合金研究領域有很高的造詣,先后獲得國家獎2項,省部級科技一等獎6項、二等獎12項等。
  西北有色金屬研究院副總工程師趙永慶教授
  下面請隨記者一起來聽聽趙永慶教授的精辟見解。
  記者:鈦合金是 20 世紀 50 年發展起來的一種重要的結構金屬,請重點談談您對鈦合金的看法和見解。
  趙永慶:鈦及鈦合金具有密度低、比強度和比剛度高以及耐腐蝕、無毒、無磁等許多優異特性,是輕型耐蝕結構材料、新型功能材料和重要的生物醫用材料,在航空、航天、兵器、核工業、船舶、電子信息等高新技術領域以及能源化工、冶金、汽車、建筑、體育、醫療及日用品領域均有廣泛應用,被譽為正在崛起的 “第三金屬”。
  在航空、航天、船舶、核能、兵器等高技術領域中,鈦及鈦合金已經成為不可或缺的材料,發揮著關鍵作用。飛機越先進,用鈦量越大。美國戰斗機的用鈦量已由50年代的2%以上升到90年代的41%。四代戰機F-22鈦合金用量已超過鋁、鋼和復合材料,成為先進飛機上的第一結構金屬,占到結構重量的41%。美國陸軍155mm榴彈炮采用了鈦合金后減重效果達到50%以上。正是由于先進高性能鈦合金的應用,才使得我國新型飛機具有和國外最先進飛機匹敵的性能參數。在航天、船舶、兵器和核工業領域,鈦合金已經被廣泛應用于航天發動機、深潛器、裝甲車以及核廢料后處理等系統。目前,高性能鈦合金材料已成為現代化國防的基礎,沒有先進的鈦材和鈦應用技術,就沒有現代化的國防。
  在民用領域,由于鈦具有極其優異的耐蝕性能,用鈦代替傳統材料,用于化工、電力、輕工、冶金、能源等行業,常可以收到增產、節能、降耗、環保、安全等綜合效益。民用部門每用1t鈦材,每年可獲10萬元以上純效益。如在氯離子腐蝕嚴重環境中,1t鈦可替代40t銅合金(B30)和200t鋼材。我國氯堿行業在5000臺電解槽上使用Ti陽極代替石墨陽極,使陽極壽命提高40倍,節電4億度,每年節省石墨10000多噸。鈦正在由稀有金屬向常用有色金屬過渡,成為一種大用之材。
  我國是世界上少數幾個擁有完整鈦工業體系的國家,國家對鈦合金的研究與發展十分重視,新中國成立以來就將鈦合金材料的研發列入國家重點基礎研究、科技攻關、高技術研究發展和高新技術產業化等多項計劃,得到了又好又快的發展。我國自上世紀50年代開始進行鈦合金的研究開發,研制出100多種鈦合金,其中自主創新研制的合金40種左右,并廣泛應用于眾多領域,為我國鈦工業的發展做出了突出貢獻。
  記者:您的主研方向是鈦合金,并且是該領域的權威專家,獲得過諸多國家及省部級獎項,請詳細談一下您和您的團隊在鈦合金研究上所做的工作和取得的成就。并談談這些科研工作成果或技術的應用狀況及產生的效益?
  趙永慶:我所在的“鈦合金研制創新團隊”是2013年批準的國家創新人才推進計劃重點領域創新團隊、陜西省“三秦學者創新團隊”、陜西省重點科技領域創新團隊,團隊形成了鈦合金材料的科研—中試—產業化三位一體的創新模式,我是團隊負責人。團隊的依托單位是西北有色金屬研究院,西北有色金屬研究是國內鈦合金科研、中試、產業化重要骨干單位,為我國航空、航天、船舶、兵器、核工業和民用領域提供了大量的關鍵材料。在西安已形成了科研--中試--產業化三位一體的基地,具備凝聚行業優勢資源和打造全球鈦產業競爭力的優勢。鈦合金研制創新團隊歷史悠久、從事的研發工作涉及到鈦合金的方方面面。鈦合金研制創新團隊1965年在國家三線建設時在寶雞山溝里就成立了,經歷了50多年的艱辛攻關,攻克了鈦合金均勻化熔煉、鍛造、軋制、熱處理等等關鍵技術,解決了國家工程對高性能鈦合金的急需,提供了眾多的合格材料。鈦合金研制工作包括高強鈦合金、阻燃鈦合金、損傷容限鈦合金、高溫鈦合金、低溫鈦合金、耐蝕鈦合金、船舶用鈦合金、低成本鈦合金等等,以及與鈦合金相關的各類冷熱加工技術、熱處理技術等,研制的產品種類包括了所有種類,如棒材、板材、管材、絲材、環材、鍛件、異形件等等,為我國鈦工業的發展做出了突出的貢獻。團隊創新研制的鈦合金如高強高韌損傷容限鈦合金TC21,超高強鈦合金Ti-1300、Ti26等,低溫鈦合金CT20,低成本鈦合金Ti-12LC、Ti-8LC,阻燃鈦合金Ti40+,船舶用鈦合金Ti-75、Ti31等,以及具有中國特色的中強高韌損傷容限鈦合金TC4-DT、乏燃料后處理用的Ti-35合金等等,這些合金綜合性能達到國際領先或國際先進水平,均已在我國工程上獲得了成功應用。這些合金也經歷了科研—中試---產業化完整過程或科研—中試工程化過程。在鈦合金研制過程中,團隊與國內兄弟單位的高校、院所、企業進行了很好的合作。這些創新研制的鈦合金對我國鈦合金開發由仿制向自主創新轉變起到重要推動作用,使我國航空、航天、船舶等用鈦合金得到升級換代,為我國航空、航天、船舶等用材增加了多個關鍵牌號,且TC21和TC4-DT已成為航空飛機的主干鈦合金,也開創了我國發明的鈦合金在航空飛機上應用的先例。利用團隊幾十年的技術積累和人才隊伍,單位建立了國內先進的鈦合金熔煉生產線、鍛造生產線、棒材生產線、板材生產線、管材生產線等,產生良好的經濟效益、社會效益,就業崗位大大增加,也使我國鈦工業更加健康地、又好又快地發展,也為我國鈦材產量位居世界第一做出了不可或缺的貢獻。在完成國家工程需要的鈦合金材料研制的同時,團隊與高校等合作,積極開展應用基礎研究,推動鈦合金材料技術進步,如建立了鈦合金顯微組織特征的定量分析模型與方法,實現了不同類型的顯微組織特征的定量描述; 提出了鈦合金損傷容限機理、阻燃鈦合金的阻燃機理、高強鈦合金的強韌化機制等,發明了提高鈦合金損傷容限性能的技術、鈦合金高損傷容限性能的大規格棒材加工技術、高強鈦合金成分的定量設計方法等等。應用這些技術成功制備出性能合格的眾多鈦合金材料等,并獲得實際應用,對工程的順利研制起到了積極推動作用。團隊也培養了大量人才,畢業的碩博士研究生有的在高校工作、有的在院所工作、有的在國有或民企工作,這些人才在我國鈦行業發揮了骨干作用。
  記者:鈦合金作為一種“防腐英雄”, 在眾多領域廣泛地應用,請您談一下,目前鈦合金防腐蝕研究方面有哪些新進展?
  趙永慶:鈦及鈦合金本身就具有很好耐蝕性能,當然針對一些特殊環境或條件下,需要采用耐蝕鈦合金,如TA9、TA10、TB7等。在一般腐蝕環境應用鈦材時,鈦材本身一般不需要進行防腐蝕處理,但與鈦合金材料直接接觸的其它金屬材料(如鋁、鋼、銅等)需要做防腐蝕處理,否則其它金屬材料會加速腐蝕。目前鈦合金防腐蝕研究的重點應是海洋工程的防海生物腐蝕、乏燃料后處理工程用特種耐蝕鈦合金以及船舶應用的800MPa~1100MPa強度級別的鈦合金等,通過工程應用需求和市場需求的推動,取得了良好進展。乏燃料后處理工程用特種耐蝕鈦合金Ti35已處于產業化階段,材料逐步成熟。另外,鈦合金在海水中具有優異的耐腐蝕性,被譽為“海洋金屬”。得益于在深海耐壓結構減重和降低腐蝕防護成本方面的優勢,鈦合金正逐步取代鋼材,呈現由“點式”應用向系統集成化應用的發展趨勢。
  記者:由于鈦具有良好的耐腐性能,請結合您的科研工作談談,與國外相比,鈦合金防腐蝕應用方面是否存在哪些差距,如果存在,我們應該如何去取長補短?
  趙永慶:作為酸堿環境應用的耐蝕鈦合金TA9、TA10、TB7等應用方面與國外基本沒有差距,差距大的是耐蝕鈦合金在石油管道應用、鈦合金在海洋工程應用等,以及相應的鈦合金材料及其制備技術。如在海洋工程應用方面,前蘇聯是世界上第一個將鈦合金大量應用在潛艇耐壓殼體上的國家。1968年,前蘇聯建造了世界上第一艘全鈦核動力潛艇K-162(北約代號“Papa”級),排水量5200t,潛深達到400m。隨后在70-80年代蘇聯又相繼建造了包括“阿爾法(Alfa)”級、“麥克(Mik)”級、“塞拉(Sierra)”級等在內的一系列全鈦殼體核潛艇。目前,俄羅斯仍然是唯一掌握全鈦潛艇建造技術的國家。美國雖未建造全鈦潛艇,但已經將鈦合金應用在潛艇桅桿和緊固件等部件上,以減少艇身重量,優化性能。1973年,美國采用Ti-6A1-2Nb-1Ta-0.8Mo合金替代HY100高強鋼重新制造了“阿爾文”號深海載人潛水器殼體,并且采用Ti-6Al-4V合金制作浮力球和高壓氣瓶。2010年,美軍對原“阿爾文”號進行了升級,重新制造了鈦合金耐壓艙,使得設計下潛深度達到了6500m,這一深度覆蓋了全球98%的海域。2012年,我國載人深潛器“蛟龍”號成功進行了7000m下潛試驗,創造了世界同類作業型潛水器最大下潛深度紀錄。該深潛器重22.9t,耐壓殼體內徑尺寸為2.1m,采用鈦合金制造。經過各單位數年的合作研發,我國在深海用鈦合金的材料研制及加工工藝開發方面已經取得了重大突破,掌握了相關鈦合金的制備、成型及焊接技術,已經實現了殼體的完全自主設計、研發與制造。2017年,我國完成了4500米載人深潛器“深海勇士”號下潛試驗。作為深海裝備耐壓結構用鈦合金材料需要開展長期服役環境下鈦合金組織演變與性能衰減規律、沖撞條件下鈦合金動態響應及裂紋萌生擴展機制、鈦合金在深海耐壓結構上應用可能存在的蠕變等問題的深入研究,同時也要解決深海裝備鈦合金材料工程化關鍵技術、大規格板材和配套材料技術、選材和應用考核評價、高效優質建造技術等等。在解決技術上存在的不足同時,要強化材料研制—工程化研究---批量化生產---應用研究---應用考核的協調統一,使設計部門、材料研制部門、應用研究部門、使用單位有機結合,打破行業界限,發揮國家鈦合金領域的整體優勢,加快鈦合金材料在石油管道、海洋工程中的應用,實現海洋強國。我負責的團隊也是“陜西省海洋先進金屬材料重點科技創新團隊”,為海洋工程用鈦合金材料多做貢獻也是理應之責。創新研制的船舶用Ti-75、Ti-31合金已在海洋工程中獲得了應用,團隊也將依據需求,加強與兄弟單位合作,持續開展鈦合金在海洋工程應用、石油管道應用的鈦合金材料及其制備技術研究,提供合格的材料。
  記者:請您結合多年的科研工作談談,為強化鈦合金的性能和使其更廣泛地應用,其關鍵應該怎樣做?
  趙永慶:性能優異的鈦合金理應得到快速發展,大量應用。鈦合金成本高是限制鈦合金擴大應用的一大障礙,廣大科技工作者正在想辦法解決此問題。在國家863項目支持下,我們的鈦合金研制創新團隊在2003年成功地研制出Ti-12LC和Ti-8LC等低成本鈦合金,解決了我國沒有低成本鈦合金的歷史,并獲得了成功應用;同時也開展了鈦的連鑄連軋技術探索,在實驗室內實現了連鑄。目前國內眾多單位都在探索鈦合金的短流程加工技術、新型加工技術等,期望明顯降低鈦合金材料的加工成本,擴大鈦合金的應用。
  為擴大鈦材應用,降低成本僅是一方面,更重要的是鈦合金應用時要穩定,性能穩定、批次一致性好。結合實際應用,要解決科研—中試工程化—產業化每個階段的關鍵問題,使科研成果成熟、穩定,用戶使用安心、放心。
  同時,為實現中國鈦材由大變強、國內鈦行業在全球的先進地位,需要掌握鈦材的核心競爭力,不受制于人。要整合國內鈦行業優勢資源,構造面向全球的匯聚人才、創新鏈、產業鏈和資金鏈互動的全新生態環境,形成一批國內領先、國際先進的研究成果和產品,凝聚培育國際化的高端學術人才隊伍,實現研究成果的快速轉化,提升我國高端鈦合金材料領域的技術創新能力和核心競爭力,滿足國家工程對鈦合金材料的需求。
  記者:請您展望一下鈦合金的未來發展方向?
  趙永慶:正因為鈦合金具有優異的性能、國民經濟建設各領域的需求,是國家大力發展的行業,鈦合金發展前景很好。針對目前鈦合金發展存在的問題,個人認為未來鈦合金的發展方向是:1)精簡鈦合金牌號,發展主干鈦合金;2)建立鈦合金材料數據庫及合金設計的專家系統,指導新合金設計;3)加強600°C以上高溫鈦合金研究;4)強化TiAl金屬間化合物及阻燃鈦合金的工程化研究及應用;5)加強SiC長纖維增強鈦基復合材料研究及應用;6)強化損傷容限型鈦合金批次穩定性研究及應用;7)強化鈦合金低成本化制備技術研究;8)強化鈦合金近凈成形技術研究及應用;9)鈦的熔煉—加工—性能—組織計算機模擬;10)改善工藝、改善性能、擴大鈦合金的應用;11)開發鈦合金的先進制備技術和鈦的新產品;12)海綿鈦低成本化的新型制備技術。
  同時,針對國家的需求,著力發展大規格高性能鈦材及鈦的異性材;開發新型鈦合金及新型制備工藝(包括鈦合金低成本、短流程加工技術,鈦合金近凈成型技術、鈦及鈦合金異型材、棒絲材成型技術、鈦合金焊接技術等);延伸產業鏈,加快下游產品技術開發,大力發展低成本鈦合金在兵器、海洋及民用產業的發展,擴大鈦合金的應用領域,將鈦合金的產業和市場做大做強。
  后記:
  國之利器,重在科技。鈦合金以其強度高、抗腐蝕、無磁性、高韌性、可焊接等突出特性,成為一種完美的工業材料。趙永慶教授及團隊嘔心瀝血、不斷創新,為祖國和人民獻上一份份精美的鈦合金科研答卷。相信在不久的未來,在更多像趙教授那樣的科技工作者的共同努力下,我國鈦合金的科技發展定會百尺竿頭更進一步,屹立于世界巔峰材料之林。
  人物簡介
  趙永慶,博士、教授、博導,國家萬人計劃科技創新領軍人才、國家973計劃首席科學家(鈦合金),國家創新人才推進計劃重點領域創新團隊---“鈦合金研制創新團隊”帶頭人。西北有色金屬研究院副總工程師。自1991年參加工作以來,一直從事是鈦合金的研究與開發,主持承擔包括國家973計劃、科技支撐計劃、863計劃、自然基金(重點)項目、軍品類項目等,先后獲得國家獎2項,省部級科技一等獎6項、二等獎12項;創新研制出鈦合金30多種;獲授權發明專利77件;發表SCI收錄論文300余篇;編著《鈦及鈦合金金相圖譜》(第1主編)、《鈦合金相變與熱處理》(第1主編)《新型合金材料---鈦合金》(第1主編)等專著5部。先后榮獲全國勞動模范、新世紀百千萬人才工程國家級人選、政府特殊津貼專家、全國優秀科技工作者等榮譽。
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