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?！边@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(guān)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(guān)鍵部件載人艙的研制。
2020年11月，采用國產(chǎn)原創(chuàng)技術(shù)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(shù)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(lǐng)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(guān)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(lǐng)導說：“載人艙是成敗的關(guān)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(nèi)，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(wù)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(fù)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(shù)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(shè)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(shù)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(chǔ)。
2014年春節(jié)假期，楊銳“閑來無事”，讀遍了能找到的所有相關(guān)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(jié)構(gòu)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(shè)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(gòu)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(shè)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(guān)系，要同時提高，難于上青天?！睏钿J說。
金屬所的雄厚基礎(chǔ)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?！彼麄儗⒕杏谏贁?shù)尚不熟悉的元素，打殲滅戰(zhàn)，在短時間內(nèi)掌握規(guī)律并確定定量關(guān)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(chǎn)化，還是在追趕別人，現(xiàn)在已經(jīng)不僅是國產(chǎn)，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(fù)起飛導致的載荷周期性變化，對鋼等金屬不會產(chǎn)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(nèi)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(wù)，保證其可以放心使用。前期的研究基礎(chǔ)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(fù)合片層正是他的拿手好戲。
通過設(shè)計獨創(chuàng)的鈦合金兩級交錯片層狀顯微結(jié)構(gòu)，他們在國內(nèi)最大厚度的寬幅鈦合金板材中實現(xiàn)了復(fù)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(shù)、破解‘卡脖子’問題，還是要站在前人的肩膀上。沒有基礎(chǔ)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(guān)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(nèi)，感到那天的空氣有點潮、有點悶?！坝值攘?5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(shè)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(shè)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(guān)鍵技術(shù)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(guān)?！按蠹叶寄贸隽丝醇冶绢I(lǐng)，突破自我、精誠合作，最終按時保質(zhì)完成任務(wù)?！睏钿J說。
經(jīng)此一役，我國不僅在鈦合金科學領(lǐng)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(shù)指標均打破國內(nèi)紀錄，電子束焊接技術(shù)國際領(lǐng)先。
楊銳說：“這就是需求驅(qū)動的力量?！?/p>
在整個項目進程中，金屬所在短時間內(nèi)突破了材料難關(guān)，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(shù)壓力變成精神壓力。他也是很有規(guī)劃的人，高風險的技術(shù)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>
