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中国科学院院士曹春晓

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曹春晓,材料科学家,钛合金专家,我国钛合金研究与应用的创始人之一,中国科学院院士。他不断开创新型钛合金和Ti-Al系金属间化合物,并应用于航空工业,显著减轻飞机及其发动机的结构重量,为提高飞机航速、增加航程、节省燃料等创造了条件。根据再结晶和相变结合的原理,创立了高低温交替热变型技术,解决了长期存在于大型钛合金零件生产中金相组织不均匀的关键问题;利用特定的相变模式优化钛合金β转变组织形态和综合性能,首创BRCT热处理技术;利用形变—相变联合机制,创立钛合金急冷式β热变形强韧化技术;研究了钛合金的强化机制、阻燃机理、疲劳裂纹扩展特征等基础问题,并取得了创造性成果。

曹春晓1934年8月6日出生于浙江省上虞(属绍兴市)。三岁随父母到上海,那正是祖国饱受帝国主义列强蹂躏的苦难岁月。他感叹祖国的衰败,他痛恨洋人的骄横。一种发奋图强为国雪耻的信念深深根植于少年曹春晓的幼小心灵中。他笃信科学强国的道理,报效祖国一定要有知识有本领。1949年,他考上了上海有名的南洋模范中学,学习成绩一直名列前茅。1952年,他又以优异成绩考入上海交通大学,不仅是学习上的尖子,而且当上了团支部书记,1954年6月加入中国共产党。1956年他毕业于上海交通大学金属压力加工专业,只身来到北京航空材料研究所(现为北京航空材料研究院),成为刚刚筹建的钛合金实验室的成员。在此后的岁月中,他一直耕耘于钛合金这片科研园地。

披荆斩棘 勇当中国航空工业用钛的开路先锋

钛是国际上20世纪50年代才开始走向工业化生产和应用的一种崭新的金属材料。曹春晓从参加工作的那一天起,就为开辟中国航空工业用钛的道路而不懈努力。1965年,他肩负课题负责人的重任,选择TC4钛合金为突破口,创造性地解决了各种技术难题。1966年,我国第一台装上钛合金叶片的航空发动机试车成功,掀开了我国航空发动机用钛史的第一页,实现了零的突破。之后,他与其他科技人员继续努力,将TC4钛合金叶片和压气机盘扩大到五六种机型之中,取代原来笨重的钢叶片和钢盘,显著地减轻了发动机重量,提高了发动机的推重比。技术鉴定会为其作出了中肯的鉴定:“TC4合金产品的组织性能达到了国际及美国宇航材料标准,它的研究成功为我国钛工业的发展和在航空工业中的应用奠定了基础,起到了开路先锋的作用。”

探索奥秘 创立高低温交替热变形技术

一种新型航空发动机急需能耐500℃的热强钛合金TC11。曹春晓又率领航空部内外的同仁展开了攻坚战。

钛合金大型模锻件及其坯料的金相组织很不均匀是长期未能解决的“老大难”问题。他反复思考和实践,根据钛合金热变形过程中再结晶和相变交叉进行的原理,产生了通过热变形温度的交替变换(高—低—高—低)获得细小均匀的新β晶粒的新思路,从而创立了高低温交替热变形技术。这一具有国际先进水平的新技术,显著改善了大锻件组织性能的均匀性和稳定性,使TCll合金材料和盘模锻件的组织性能不仅达到国外同类产品的水平,而且在一些关键指标上超过了它们。这一重大突破为空军装备更新换代做出了重要贡献,还为国家节省了原已批准用于进口的500万美元外汇和用于新建一条钛锻件生产线的621万元投资,仅航空部内锻造厂的产值在1980-1984年就增加了3000万元,并推动了航空钛锻件向国外的出口。该成果获1987年度国家科技进步一等奖,他是第一完成人。TCll目前已成为我国军用工业中用量最大的一种钛合金,而高低温交替热变形技术则已广泛应用于各种钛合金的生产。

独辟蹊径 首创BRCT热处理工艺

不少飞行事故不是由于材料强度过低,而是由于断裂韧性太低或裂纹扩展速率太高所致。美、俄等国都投入大量人力财力,试图通过合金化途径研制出兼有高强度、高刚性、高韧性、低裂纹扩展速率、低密度的钛合金,但结果均不尽如人意。

曹春晓萌生一个念头:我们能否独辟蹊径,通过新的工艺途径达到兼有鱼与熊掌之目的呢?他创立了一种崭新的热处理工艺——BRCT工艺。这一工艺的主要特点是首次利用特定的相变模式优化了β转变组织形态。与传统的α+β热处理工艺相比,BRCT 热处理工艺在保持原有强度、刚性的情况下,提高断裂韧性50%以上,降低疲劳裂纹扩展速率一个数量级,提高使用温度20℃左右。与一般的β热处理工艺相比,BRCT热处理工艺可获高得多的疲劳强度和拉伸塑性。这使TCll钛合金如虎添翼,变成了兼有“四高二低”(高温、高强、高韧、高刚性、低密度、低裂纹扩展速率)特性的钛合金。这一具有国际先进水平的BRCT热处理工艺,成功地应用于某新型歼击机的TCll钛合金伞舱梁。该成果获1995 年度国家发明三等奖(他是第一发明人)。

联合攻关 率先应用含钕新型高温钛合金

为进一步提高发动机的推重比,迫切需要研制和应用一种能耐更高温度的新型钛合金。于是曹春晓作为“550℃高温钛合金的应用研究”这一国防科工委“八五”重点预研项目的负责人,率领跨部门的大型联合课题组,突破了八大关键技术,圆满地完成了预定任务,通过了部级鉴定。鉴定委员会认为:“Ti-55合金是我国独创的含稀土元素钕的550℃高温钛合金,该合金在某新型航空发动机压气机盘、叶片和鼓筒上的成功应用,标志着我国高温钛合金的应用达到了新水平,形成了由TC4、TCll、Ti-55组成的航空发动机用主要钛合金系列”,“在率先应用含钕新型钛合金以及急冷式β模锻、三重式α+β热处理等关键技术方面具有创新性”。该项目于1998年获国家科技进步二等奖

马不停蹄 Ti-Al系金属间化合物领域再攀高峰

始终关注科技前沿的曹春晓获悉国外有人正在研制一种使用温度可达650-700℃的金属间化合物Ti3Al后,提出立项论证报告,被列入国家“863”高科技项目。他率领课题组创造性地采用了具有我国自己特色的熔炼、锻造和热处理工艺(其中新型均匀化熔炼技术已获国家发明专利,他是第一发明人),突破了“室温脆性”等技术难关,成功地研制出了我国第一批Ti3Al合金航空发动机零件。1990年底,他为此获国家科委和国家高技术新材料领域专家委员会授予的重要贡献奖状。

“八五”期间,他为把这一高风险的“革命性”材料推向实用化作出新的努力。在大量性能数据的基础上,一台装有Ti3Al合金(TD2)零件的航空发动机首次试车成功,在整个金属间化合物领域中起到了示范带头作用。在1996年评审验收中被国防科工委和中国航空工业总公司专家组评为A级。部级鉴定意见中指出:“TD2合金工艺及性能稳定,拉伸强度、塑性、断裂韧性、冲击韧性等关键性能优于美国同类合金(超α2合金),在均匀化熔铸工艺等实用化关键技术、性能系统研究以及Ti3Al基合金转子零件率先地面台架试车等方面居国际领先地位。”

近年来,他与课题组同志一起,又研究成功一种综合性能更优的新一代Ti3Al合金(TD3),并在生产条件下研制出我国迄今为止最大的Ti3Al合金锻件(重70千克,外径770毫米),在2000年年底的验收中被国防科工委专家组评为A级。

与此同时,他还在积极研究可在750-850℃下长期工作的TiAl合金,已取得重要进展,即将进入应用研究阶段。

丰硕论著 良师益友

曹春晓在学术理论上也颇有建树。先后发表论文百余篇,在国内外钛学术界颇有影响。1978年他从英国考察钛合金回来,写出了8万多字的考察报告,受到了各有关厂、所、院、校的广泛好评。1980年他赴日本,在钛世界会议上发表了题为“β转变组织形态等组织特征对Ti-6Al-4V合金力学性能的影响”的论文,在当时科技界普遍偏重控制钛合金等轴初生α含量的情况下,他阐明了β转变组织形态对力学性能起关键作用的独到见解,引起了各国学者的广泛重视。他参与编写的《锻件质量分析》一书获1983 年全国优秀科技图书二等奖。

他先后围绕钛合金β脆性形成和消失的塑变条件、高低温交替热变形技术基本原理、各类显微组织的形成和变化规律、疲劳与断裂行为及其特征、钕在钛合金中的存在形态和强化机制、钛燃烧及阻燃机理、钛基复合材料中富钕氧化物颗粒的析出行为、各种元素在Ti3Al和TiAl合金中的作用规律和机理等方面深入开展应用基础研究工作和发表学术论文,而这些学术思想的形成和交融正是他能取得上述累累硕果的基础。

曹春晓还精心培养年轻人,既注意传授指导,又放手锻炼他们独立解决问题的能力。他已先后培养了3名硕士、4名博士和2名博士后。经他培养的新一代,都非常感谢这位在学术上思想上都对他们有着极大帮助的良师益友。早在1993年他就被航空航天部评为优秀研究生导师。

“三勤”与“三善”是事业成功之路

有人问曹春晓:“你认为事业成功必须具备哪些条件”?他列出了四个要素:天资、勤奋、机遇、修养。他解释道:主要是勤奋和修养。勤奋包括三个方面:勤学习、勤实践、勤思考。谓之“三勤”,缺一不可。曹春晓对此曾写过一篇题为“三思而行,行而三思”的文章发表在《院士思维》一书中,此文于2000年又被收入《院士思维》选读本中。文中有许多根据自己亲身体验作出的“三思而行才能择善而为”,“行而三思才能脱颖出新”等充满唯物辩证法的精辟论述。修养方面则要做到“三善”:善自控、善合群、善生活。曹春晓既是一种事业型的人,又有着广泛的业余爱好和丰富的精神生活。他爱好体育,是个乒乓球高手,曾获该院单打冠军。他喜爱音乐,好唱中外名歌,曾在院内外登台演出。偶有闲暇,他会和青年朋友下上两盘围棋,既能锻炼智力,又可增进友谊。养花种草是他百忙之中松弛神经的又一种休闲方式。曹春晓本人就是“三勤”、“三善”的一个很好的榜样。

这位大学时代就入党的学者,集中了新中国培养出来的第一代知识分子的诸多优点:勤奋、刻苦、事业心强、责任感强、淡泊名利、报效祖国。他善于理性地思索人生,总结出一些寓意深刻的座右铭式的行为指南。如上面所说到的“三勤”、“三善”,“三思而行,行而三思”,等等。他还说过“辛而不苦,劳而有获”,“自明、明人,自信、信人”等富有哲理的话。这些言简意赅、意蕴深长的格言既是他处世经验的提炼,也是指导他走向辉煌人生的路标。

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关键词: 曹春晓 合金 ti 锻件
来源:宝鸡新闻网 责任编辑:谢蕊
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