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赵永庆:应国家所需,发展低成本、高性能钛合金

更新时间:2019/06/19 14:42:24    浏览次数: 332     文章来源: 搜钛网
钛金属被誉为“现代金属”、“战略金属”,是提高装备性能的关键材料,也是现代国防建设的重要支撑材料和国民经济发展不可缺少的重要材料。近些年来,我国的钛合金工业得到了长足发展,广泛地在化工、航空、航天、舰船、核电、生物医疗等领域发挥着重要的作用。为了全面科普钛合金的相关知识,探索钛合金的研究进展及未来趋势。本期我们邀请到了钛合金研究领域的权威专家、西北有色金属研究院副总工程师赵永庆教授做相关方面的精彩解读。
赵永庆,西北有色金属研究院副总工程师、陕西省钛工程技术研究中心主任等,国家973计划首席科学家(钛合金),国家重点领域创新团队“钛合金研制创新团队”带头人。一直从事是钛合金的研究与开发,在钛合金研究领域有很高的造诣,先后获得国家奖2项,省部级科技一等奖6项、二等奖12项等。
西北有色金属研究院副总工程师赵永庆教授
下面请随记者一起来听听赵永庆教授的精辟见解。
记者:钛合金是 20 世纪 50 年发展起来的一种重要的结构金属,请重点谈谈您对钛合金的看法和见解。
赵永庆:钛及钛合金具有密度低、比强度和比刚度高以及耐腐蚀、无毒、无磁等许多优异特性,是轻型耐蚀结构材料、新型功能材料和重要的生物医用材料,在航空、航天、兵器、核工业、船舶、电子信息等高新技术领域以及能源化工、冶金、汽车、建筑、体育、医疗及日用品领域均有广泛应用,被誉为正在崛起的 “第三金属”。
在航空、航天、船舶、核能、兵器等高技术领域中,钛及钛合金已经成为不可或缺的材料,发挥着关键作用。飞机越先进,用钛量越大。美国战斗机的用钛量已由50年代的2%以上升到90年代的41%。四代战机F-22钛合金用量已超过铝、钢和复合材料,成为先进飞机上的第一结构金属,占到结构重量的41%。美国陆军155mm榴弹炮采用了钛合金后减重效果达到50%以上。正是由于先进高性能钛合金的应用,才使得我国新型飞机具有和国外最先进飞机匹敌的性能参数。在航天、船舶、兵器和核工业领域,钛合金已经被广泛应用于航天发动机、深潜器、装甲车以及核废料后处理等系统。目前,高性能钛合金材料已成为现代化国防的基础,没有先进的钛材和钛应用技术,就没有现代化的国防。
在民用领域,由于钛具有极其优异的耐蚀性能,用钛代替传统材料,用于化工、电力、轻工、冶金、能源等行业,常可以收到增产、节能、降耗、环保、安全等综合效益。民用部门每用1t钛材,每年可获10万元以上纯效益。如在氯离子腐蚀严重环境中,1t钛可替代40t铜镍合金(B30)和200t钢材。我国氯碱行业在5000台电解槽上使用Ti阳极代替石墨阳极,使阳极寿命提高40倍,节电4亿度,每年节省石墨10000多吨。钛正在由稀有金属向常用有色金属过渡,成为一种大用之材。
我国是世界上少数几个拥有完整钛工业体系的国家,国家对钛合金的研究与发展十分重视,新中国成立以来就将钛合金材料的研发列入国家重点基础研究、科技攻关、高技术研究发展和高新技术产业化等多项计划,得到了又好又快的发展。我国自上世纪50年代开始进行钛合金的研究开发,研制出100多种钛合金,其中自主创新研制的合金40种左右,并广泛应用于众多领域,为我国钛工业的发展做出了突出贡献。
记者:您的主研方向是钛合金,并且是该领域的权威专家,获得过诸多国家及省部级奖项,请详细谈一下您和您的团队在钛合金研究上所做的工作和取得的成就。并谈谈这些科研工作成果或技术的应用状况及产生的效益?
赵永庆:我所在的“钛合金研制创新团队”是2013年批准的国家创新人才推进计划重点领域创新团队、陕西省“三秦学者创新团队”、陕西省重点科技领域创新团队,团队形成了钛合金材料的科研—中试—产业化三位一体的创新模式,我是团队负责人。团队的依托单位是西北有色金属研究院,西北有色金属研究是国内钛合金科研、中试、产业化重要骨干单位,为我国航空、航天、船舶、兵器、核工业和民用领域提供了大量的关键材料。在西安已形成了科研--中试--产业化三位一体的基地,具备凝聚行业优势资源和打造全球钛产业竞争力的优势。钛合金研制创新团队历史悠久、从事的研发工作涉及到钛合金的方方面面。钛合金研制创新团队1965年在国家三线建设时在宝鸡山沟里就成立了,经历了50多年的艰辛攻关,攻克了钛合金均匀化熔炼、锻造、轧制、热处理等等关键技术,解决了国家工程对高性能钛合金的急需,提供了众多的合格材料。钛合金研制工作包括高强钛合金、阻燃钛合金、损伤容限钛合金、高温钛合金、低温钛合金、耐蚀钛合金、船舶用钛合金、低成本钛合金等等,以及与钛合金相关的各类冷热加工技术、热处理技术等,研制的产品种类包括了所有种类,如棒材、板材、管材、丝材、环材、锻件、异形件等等,为我国钛工业的发展做出了突出的贡献。团队创新研制的钛合金如高强高韧损伤容限钛合金TC21,超高强钛合金Ti-1300、Ti26等,低温钛合金CT20,低成本钛合金Ti-12LC、Ti-8LC,阻燃钛合金Ti40+,船舶用钛合金Ti-75、Ti31等,以及具有中国特色的中强高韧损伤容限钛合金TC4-DT、乏燃料后处理用的Ti-35合金等等,这些合金综合性能达到国际领先或国际先进水平,均已在我国工程上获得了成功应用。这些合金也经历了科研—中试---产业化完整过程或科研—中试工程化过程。在钛合金研制过程中,团队与国内兄弟单位的高校、院所、企业进行了很好的合作。这些创新研制的钛合金对我国钛合金开发由仿制向自主创新转变起到重要推动作用,使我国航空、航天、船舶等用钛合金得到升级换代,为我国航空、航天、船舶等用材增加了多个关键牌号,且TC21和TC4-DT已成为航空飞机的主干钛合金,也开创了我国发明的钛合金在航空飞机上应用的先例。利用团队几十年的技术积累和人才队伍,单位建立了国内先进的钛合金熔炼生产线、锻造生产线、棒材生产线、板材生产线、管材生产线等,产生良好的经济效益、社会效益,就业岗位大大增加,也使我国钛工业更加健康地、又好又快地发展,也为我国钛材产量位居世界第一做出了不可或缺的贡献。在完成国家工程需要的钛合金材料研制的同时,团队与高校等合作,积极开展应用基础研究,推动钛合金材料技术进步,如建立了钛合金显微组织特征的定量分析模型与方法,实现了不同类型的显微组织特征的定量描述;提出了钛合金损伤容限机理、阻燃钛合金的阻燃机理、高强钛合金的强韧化机制等,发明了提高钛合金损伤容限性能的技术、钛合金高损伤容限性能的大规格棒材加工技术、高强钛合金成分的定量设计方法等等。应用这些技术成功制备出性能合格的众多钛合金材料等,并获得实际应用,对工程的顺利研制起到了积极推动作用。团队也培养了大量人才,毕业的硕博士研究生有的在高校工作、有的在院所工作、有的在国有或民企工作,这些人才在我国钛行业发挥了骨干作用。
记者:钛合金作为一种“防腐英雄”, 在众多领域广泛地应用,请您谈一下,目前钛合金防腐蚀研究方面有哪些新进展?
赵永庆:钛及钛合金本身就具有很好耐蚀性能,当然针对一些特殊环境或条件下,需要采用耐蚀钛合金,如TA9、TA10、TB7等。在一般腐蚀环境应用钛材时,钛材本身一般不需要进行防腐蚀处理,但与钛合金材料直接接触的其它金属材料(如铝、钢、铜等)需要做防腐蚀处理,否则其它金属材料会加速腐蚀。目前钛合金防腐蚀研究的重点应是海洋工程的防海生物腐蚀、乏燃料后处理工程用特种耐蚀钛合金以及船舶应用的800MPa~1100MPa强度级别的钛合金等,通过工程应用需求和市场需求的推动,取得了良好进展。乏燃料后处理工程用特种耐蚀钛合金Ti35已处于产业化阶段,材料逐步成熟。另外,钛合金在海水中具有优异的耐腐蚀性,被誉为“海洋金属”。得益于在深海耐压结构减重和降低腐蚀防护成本方面的优势,钛合金正逐步取代钢材,呈现由“点式”应用向系统集成化应用的发展趋势。
记者:由于钛具有良好的耐腐性能,请结合您的科研工作谈谈,与国外相比,钛合金防腐蚀应用方面是否存在哪些差距,如果存在,我们应该如何去取长补短?
赵永庆:作为酸碱环境应用的耐蚀钛合金TA9、TA10、TB7等应用方面与国外基本没有差距,差距大的是耐蚀钛合金在石油管道应用、钛合金在海洋工程应用等,以及相应的钛合金材料及其制备技术。如在海洋工程应用方面,前苏联是世界上第一个将钛合金大量应用在潜艇耐压壳体上的国家。1968年,前苏联建造了世界上第一艘全钛核动力潜艇K-162(北约代号“Papa”级),排水量5200t,潜深达到400m。随后在70-80年代苏联又相继建造了包括“阿尔法(Alfa)”级、“麦克(Mik)”级、“塞拉(Sierra)”级等在内的一系列全钛壳体核潜艇。目前,俄罗斯仍然是唯一掌握全钛潜艇建造技术的国家。美国虽未建造全钛潜艇,但已经将钛合金应用在潜艇桅杆和紧固件等部件上,以减少艇身重量,优化性能。1973年,美国采用Ti-6A1-2Nb-1Ta-0.8Mo合金替代HY100高强钢重新制造了“阿尔文”号深海载人潜水器壳体,并且采用Ti-6Al-4V合金制作浮力球和高压气瓶。2010年,美军对原“阿尔文”号进行了升级,重新制造了钛合金耐压舱,使得设计下潜深度达到了6500m,这一深度覆盖了全球98%的海域。2012年,我国载人深潜器“蛟龙”号成功进行了7000m下潜试验,创造了世界同类作业型潜水器最大下潜深度纪录。该深潜器重22.9t,耐压壳体内径尺寸为2.1m,采用钛合金制造。经过各单位数年的合作研发,我国在深海用钛合金的材料研制及加工工艺开发方面已经取得了重大突破,掌握了相关钛合金的制备、成型及焊接技术,已经实现了壳体的完全自主设计、研发与制造。2017年,我国完成了4500米载人深潜器“深海勇士”号下潜试验。作为深海装备耐压结构用钛合金材料需要开展长期服役环境下钛合金组织演变与性能衰减规律、冲撞条件下钛合金动态响应及裂纹萌生扩展机制、钛合金在深海耐压结构上应用可能存在的蠕变等问题的深入研究,同时也要解决深海装备钛合金材料工程化关键技术、大规格板材和配套材料技术、选材和应用考核评价、高效优质建造技术等等。在解决技术上存在的不足同时,要强化材料研制—工程化研究---批量化生产---应用研究---应用考核的协调统一,使设计部门、材料研制部门、应用研究部门、使用单位有机结合,打破行业界限,发挥国家钛合金领域的整体优势,加快钛合金材料在石油管道、海洋工程中的应用,实现海洋强国。我负责的团队也是“陕西省海洋先进金属材料重点科技创新团队”,为海洋工程用钛合金材料多做贡献也是理应之责。创新研制的船舶用Ti-75、Ti-31合金已在海洋工程中获得了应用,团队也将依据需求,加强与兄弟单位合作,持续开展钛合金在海洋工程应用、石油管道应用的钛合金材料及其制备技术研究,提供合格的材料。
记者:请您结合多年的科研工作谈谈,为强化钛合金的性能和使其更广泛地应用,其关键应该怎样做?
赵永庆:性能优异的钛合金理应得到快速发展,大量应用。钛合金成本高是限制钛合金扩大应用的一大障碍,广大科技工作者正在想办法解决此问题。在国家863项目支持下,我们的钛合金研制创新团队在2003年成功地研制出Ti-12LC和Ti-8LC等低成本钛合金,解决了我国没有低成本钛合金的历史,并获得了成功应用;同时也开展了钛的连铸连轧技术探索,在实验室内实现了连铸。目前国内众多单位都在探索钛合金的短流程加工技术、新型加工技术等,期望明显降低钛合金材料的加工成本,扩大钛合金的应用。
为扩大钛材应用,降低成本仅是一方面,更重要的是钛合金应用时要稳定,性能稳定、批次一致性好。结合实际应用,要解决科研—中试工程化—产业化每个阶段的关键问题,使科研成果成熟、稳定,用户使用安心、放心。
同时,为实现中国钛材由大变强、国内钛行业在全球的先进地位,需要掌握钛材的核心竞争力,不受制于人。要整合国内钛行业优势资源,构造面向全球的汇聚人才、创新链、产业链和资金链互动的全新生态环境,形成一批国内领先、国际先进的研究成果和产品,凝聚培育国际化的高端学术人才队伍,实现研究成果的快速转化,提升我国高端钛合金材料领域的技术创新能力和核心竞争力,满足国家工程对钛合金材料的需求。
记者:请您展望一下钛合金的未来发展方向?
赵永庆:正因为钛合金具有优异的性能、国民经济建设各领域的需求,是国家大力发展的行业,钛合金发展前景很好。针对目前钛合金发展存在的问题,个人认为未来钛合金的发展方向是:1)精简钛合金牌号,发展主干钛合金;2)建立钛合金材料数据库及合金设计的专家系统,指导新合金设计;3)加强600°C以上高温钛合金研究;4)强化TiAl金属间化合物及阻燃钛合金的工程化研究及应用;5)加强SiC长纤维增强钛基复合材料研究及应用;6)强化损伤容限型钛合金批次稳定性研究及应用;7)强化钛合金低成本化制备技术研究;8)强化钛合金近净成形技术研究及应用;9)钛的熔炼—加工—性能—组织计算机模拟;10)改善工艺、改善性能、扩大钛合金的应用;11)开发钛合金的先进制备技术和钛的新产品;12)海绵钛低成本化的新型制备技术。
同时,针对国家的需求,着力发展大规格高性能钛材及钛的异性材;开发新型钛合金及新型制备工艺(包括钛合金低成本、短流程加工技术,钛合金近净成型技术、钛及钛合金异型材、棒丝材成型技术、钛合金焊接技术等);延伸产业链,加快下游产品技术开发,大力发展低成本钛合金在兵器、海洋及民用产业的发展,扩大钛合金的应用领域,将钛合金的产业和市场做大做强。
后记:
国之利器,重在科技。钛合金以其强度高、抗腐蚀、无磁性、高韧性、可焊接等突出特性,成为一种完美的工业材料。赵永庆教授及团队呕心沥血、不断创新,为祖国和人民献上一份份精美的钛合金科研答卷。相信在不久的未来,在更多像赵教授那样的科技工作者的共同努力下,我国钛合金的科技发展定会百尺竿头更进一步,屹立于世界巅峰材料之林。
人物简介
赵永庆,博士、教授、博导,国家万人计划科技创新领军人才、国家973计划首席科学家(钛合金),国家创新人才推进计划重点领域创新团队---“钛合金研制创新团队”带头人。西北有色金属研究院副总工程师。自1991年参加工作以来,一直从事是钛合金的研究与开发,主持承担包括国家973计划、科技支撑计划、863计划、自然基金(重点)项目、军品类项目等,先后获得国家奖2项,省部级科技一等奖6项、二等奖12项;创新研制出钛合金30多种;获授权发明专利77件;发表SCI收录论文300余篇;编着《钛及钛合金金相图谱》(第1主编)、《钛合金相变与热处理》(第1主编)《新型合金材料---钛合金》(第1主编)等专着5部。先后荣获全国劳动模范、新世纪百千万人才工程国家级人选、政府特殊津贴专家、全国优秀科技工作者等荣誉。
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