啃下多少硬骨頭 才能成為“奮斗者”

　　“楊銳他們啊，啃的都是硬骨頭。”這是研究所同事對楊銳團隊的評價。

　　“上九天攬月，下五洋捉鱉”可以概括中國科學院金屬研究所（以下簡稱金屬所）研究員楊銳啃過的硬骨頭。航空發(fā)動機、長征五號運載火箭、“奮斗者”號萬米深潛器……他們都提供過關鍵材料。

　　從“天空”到“海底”是在9年前。當時，中國要向海底深淵進軍，金屬所開始參與關鍵部件載人艙的研制。

　　2020年11月，采用國產原創(chuàng)技術和材料建造的鈦合金載人球艙交出滿意答卷，“奮斗者”號在馬里亞納海溝創(chuàng)造了10909米的中國載人深潛新紀錄，使我國成為世界上第二個實現(xiàn)萬米載人深潛的國家。

　　回憶這9年的探索過程，楊銳說：“跌宕起伏、有驚無險?！?/p>

　　立軍令狀

　　得知要建造搭載3人的萬米深海潛水器，楊銳心里有點打鼓。

　　下潛萬米，載人艙需要耐受110兆帕水壓，相當于2000頭非洲象踩在成年人背上。此前獲得成功的萬米載人艙搭載兩人已是極限，要超越極限，楊銳清楚，只能依靠核心技術的重大突破。而且，金屬所鈦合金研究部的工作多集中在航空航天領域，很少涉及海洋，這項工作又“前無古人”，沒有多少國際經(jīng)驗可供借鑒。

　　為了給萬米深潛作準備，中科院先行上馬了海斗深淵前沿科技問題研究與攻關先導專項。首席科學家丁抗曾說，載人艙是萬米載人深潛最大的“攔路虎”，如果能突破的話，必能把我國的深潛事業(yè)推向一個新的高度。這話令楊銳印象深刻。

　　2013年的一次論證會上，主持會議的領導說：“載人艙是成敗的關鍵。楊銳你說說，能不能做出來？”

　　這一問，楊銳沒有立刻回答。

　　當時，他和金屬所鈦合金研究部副主任雷家峰、青年骨干馬英杰一起搞過幾次頭腦風暴，做了一些準備工作，但要“在起點上拍胸脯實在缺乏底氣”。

　　三五秒內，種種情形在楊銳腦中閃過。最終，他抬頭回答：“只要立項，保證能干出來。”

　　后來，項目成功立項，完成時間卻從“十四五”提前到“十三五”。楊銳等人依據(jù)交付時間倒排進度，發(fā)現(xiàn)沒有任何回旋余地。

　　“當務之急是盡快確定優(yōu)化的合金成分，為后續(xù)工程化研究爭取時間?！睏钿J當機立斷，做出判斷——不可能一輪又一輪反復試錯，必須盡快找到一個指導原則。

　　拿下Ti62A

　　強度和韌性是金屬的一對矛盾屬性，也就是說，堅硬的金屬往往較“脆”、可塑性差，韌性高則皮實、安全。近30年來，世界上幾乎所有深潛器的載人艙都采用Ti64合金制造，正是看中了Ti64能在中等強度下保持高韌性。

　　但要建造承受萬米深度海水壓力的3人球艙，無論怎么計算，都超出了Ti64的極限。擺在團隊面前的只有一條路：放棄數(shù)據(jù)齊全、制造經(jīng)驗豐富的Ti64，研制新型鈦合金?！斑@是制造載人艙的最大技術挑戰(zhàn)?！睏钿J告訴《中國科學報》。

　　團隊很快將目光鎖定與Ti64韌性相當?shù)腡i62222。

　　這一合金的設計初衷是取代Ti64，美國上世紀80年代提出后曾風靡一時，但由于存在技術缺陷，后來不了了之。金屬所鈦合金研究部早在“十一五”期間就研究分析過Ti62222的不足，有不錯的研究基礎。

　　2014年春節(jié)假期，楊銳“閑來無事”，讀遍了能找到的所有相關文獻。突然，一篇論文引起他的注意。上世紀90年代，美國學者研究發(fā)現(xiàn)，引起合金脆性的歐米伽相結構并不完美。楊銳琢磨發(fā)現(xiàn)，這個相越不完美，造成的危害越小。

　　這讓他醍醐灌頂：也許可以找到一種“神藥”，通過合金設計改造歐米伽相，從而使這個惡性腫瘤變成良性。

　　他聯(lián)想到另外兩項工作，分別是同日本國立材料研究機構和英國羅羅公司合作研究的鈦—鈮—鈀和鈦—鈮—鉬合金，都是在常見鈮元素之外添加了說不清道不明的其他元素，卻意外提高了韌性。而鈀和鉬在元素周期表中的位置都在鈦的右方。

　　楊銳立刻找到同事胡青苗研究員說明這一想法，后者放棄休假回到實驗室，通過理論計算證實，鉬和此前分析過的鈀一樣，都能降低歐米伽相的穩(wěn)定，從而提高韌性。

　　由此，新型合金設計的主要思路逐漸清晰：回避元素周期表中處于鈦下方的難熔金屬元素，酌量增加其右方元素，實現(xiàn)強度和韌性的最佳配比。但是，說起來容易，要做到“恰到好處”卻極其困難。

　　“金屬材料的強度和韌性通常呈倒置關系，要同時提高，難于上青天?！睏钿J說。

　　金屬所的雄厚基礎和經(jīng)驗優(yōu)勢此時再次發(fā)揮作用，雷家峰在此方向已開展了15年以上的研究，對合金中10余種元素的習性了如指掌。楊銳笑稱：“閉著眼睛都知道在不同溫度下它們會往哪邊跑。”他們將精力集中于少數(shù)尚不熟悉的元素，打殲滅戰(zhàn)，在短時間內掌握規(guī)律并確定定量關系。

　　最終，經(jīng)過實驗驗證，中國原創(chuàng)的新型鈦合金Ti62A誕生了！它的韌性和可焊性與Ti64相當，強度提高20%。

　　“以前我們講國產化，還是在追趕別人，現(xiàn)在已經(jīng)不僅是國產，而是國創(chuàng)了?！睏钿J自信地說。

　　制勝法寶

　　要耗費3個多小時下潛萬米，并在水下開展6個小時的科考作業(yè)，載人艙還面臨著鈦金屬保載疲勞的問題。好在這一問題金屬所也有過深入研究。

　　飛機起飛爬坡時發(fā)動機聲音較大，平飛時更為安靜，是因為爬坡需要更大動力。但是，飛機反復起飛導致的載荷周期性變化，對鋼等金屬不會產生較大影響，卻會引發(fā)鈦合金保載疲勞現(xiàn)象，大大降低其壽命。1972年，羅羅公司在分析一起飛行事故時首次發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，至今仍未徹底揭開謎底。

　　2009年6月，楊銳和羅羅公司鈦合金首席專家阮格在歐洲鈦合金會議上一見如故，決定合作開展鈦合金保載疲勞研究。由于需要大規(guī)格材料取樣，且極為費時，這項工作前后花費超百萬元。金屬所邱建科由此成為楊銳“最貴”的一名博士研究生，也是國內對鈦合金保載疲勞研究最為透徹的人。

　　在載人艙研制過程中，邱建科承擔了Ti62A保載疲勞研究任務，保證其可以放心使用。前期的研究基礎為項目按時完成節(jié)約了大量時間。

　　合金小樣品性能好，并不代表大規(guī)格板材性能一定好，特別是對于大厚度板材，高強度和高韌性依然不能同時實現(xiàn)。此時輪到團隊中的馬英杰出場，制備復合片層正是他的拿手好戲。

　　通過設計獨創(chuàng)的鈦合金兩級交錯片層狀顯微結構，他們在國內最大厚度的寬幅鈦合金板材中實現(xiàn)了復合片層組織的控制目標。同傳統(tǒng)組織相比，球殼性能全面提升：強度提高5%，塑性提高15%，斷裂韌性提高10%，裂紋擴展速率下降50%~80%。

　　“開發(fā)原創(chuàng)技術、破解‘卡脖子’問題，還是要站在前人的肩膀上。沒有基礎研究的積累，拍腦袋做不出來?！睏钿J說。金屬所有著幾十年的高溫鈦合金研究積累和國際交流經(jīng)驗，這也許是他們驚險過關的制勝法寶。

　　驚險瞬間

　　2019年6月17日，離建造完成僅一步之遙。

　　晚上10點多，楊銳等人在中國船舶集團第七二五研究所的一間會議室里靜靜等待。隔著一幢樓就是電子束焊接車間，載人艙的兩個半球正在那里焊接。

　　采用焊接工藝，是項目組的創(chuàng)舉，也是風險點之一。同年下潛萬米的美國“極限因子”號潛水器兩人艙采用螺栓連接兩個半球，3人球艙承力更大，材料的強度更高，焊接難度可想而知。

　　由于經(jīng)費有限，這個球艙只能成功不能失敗，容不得半點閃失。安排的時間已過，現(xiàn)場卻遲遲沒有消息。眾人坐在會議室內，感到那天的空氣有點潮、有點悶。“又等了45分鐘，終于來人說焊完了，我們趕緊過去，從焊縫外觀初步判斷是成功的！”楊銳回憶。

　　原來，開工前設備發(fā)生了點故障。事后回想，大家都有點后怕：如果故障發(fā)生在焊接過程中，后果不堪設想。

　　建造萬米載人球艙，必須克服材料、成形、焊接等一系列難題。在國家重點研發(fā)計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項支持下，金屬所牽頭，同寶鈦股份、七二五所等單位聯(lián)合攻關?！按蠹叶寄贸隽丝醇冶绢I，突破自我、精誠合作，最終按時保質完成任務。”楊銳說。

　　經(jīng)此一役，我國不僅在鈦合金科學領域進入國際前列，制造工藝也得到了極大提升——鈦合金鑄錠重量、板材幅寬與厚度等技術指標均打破國內紀錄，電子束焊接技術國際領先。

　　楊銳說：“這就是需求驅動的力量?！?/p>

　　在整個項目進程中，金屬所在短時間內突破了材料難關，與各部門協(xié)作，還經(jīng)歷過項目周期縮短和經(jīng)費縮減。作為帶頭人，楊銳卻樂呵呵地說：“你看我像害怕壓力的人嗎？我還經(jīng)常給別人當‘心靈按摩師’?！?/p>

　　馬英杰告訴《中國科學報》：“楊老師是樂觀的人，一直倡導不要把技術壓力變成精神壓力。他也是很有規(guī)劃的人，高風險的技術會安排備選路線，并行發(fā)展；每個時間節(jié)點必須完成的事，也會督促大家完成?！?/p>

　　2020年11月28日，完成萬米下潛突破的“奮斗者”號返航，楊銳來到三亞迎接戰(zhàn)友凱旋。那一天的南山港碼頭人聲鼎沸，在鮮花和掌聲中，楊銳感慨：“以前我是做航空航天材料的，這下‘海闊天空’占全了。但光榮和熱鬧總會過去，科技工作者們會回到冷板凳上去，進入下一輪奮斗?！?/p>