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师先生对我国高温合金发展的贡献
2014-12-09  |   金属所 师先生的学生 朱耀霄        【 】【打印】【关闭

  先生是我国最早并一直坚持在一线领导高温合金研究的科学家,对我国高温合金的发展做出了巨大的贡献。在他的领导下,我国于1966年研制成功了气冷铸造空心涡轮叶片,使我国当时的战机性能达到世界前列;研制成功了我国第一个铁基高温合金涡轮盘,为我国大批量生产高性能战机创造了条件;研究发明了低偏析高温合金技术,使我国的高温合金材料走在了世界的前沿,等等。

  金属所于1957年开始开展高温合金研究,我随师先生一起成为第一批参加研究者之一。从那时起一直到2003年退休,我一直跟随师先生研究高温合金,可以说,我跟随师先生搞了一辈子的高温合金。现仅以我亲身的一些经历,对师先生在高温合金领域的贡献做一些介绍。由于是个人回忆,可能不全面,请原谅。

  (一)1957年我国开始研究高温合金

  1956年,苏联援助我国156项重大工程项目,其核心内容是二弹一机,即原子弹、导弹和战机。为了尽快建立起我国自己的战机的研制能力,最关键的部件是研制喷气涡轮发动机,因此在沈阳建立了我国第一座喷气涡轮发动机公司,即410厂;国家指定抚顺钢厂生产发动机所需的各种高温合金;国家指定金属所研究高温合金,以满足我战机发展的需要。

  金属所接受任务后,非常重视,专门组织了205课题组来开展高温合金研究。205组组长是李薰所长;有四位副组长,他们是张沛霖先生、师昌绪先生、郭可信先生和庄育智先生,龙期威是题目秘书,几乎集中了当时所有能参加的科学家;第一批组员是三人:王仪康、朱耀霄和吴平森。

  成立之初,第一项任务是建立各种实验室。由王仪康组建了真空感应炉冶炼实验室,由我组建蠕变、热处理、金相实验室,吴平森下厂了解生产情况。实验室初步建成后,就开始研发新的高温合金。按当时的思路,关键的涡轮叶片用高温合金,必须是变形高温合金,所以我们较深入研制的第一个高温合金也是变形高温合金,称为519合金。第一个数字5,代表我们研究的第5种合金;后面的19是指第5种合金的成分研究中,第19炉的成分达到了我们的预期指标,由此确定为该合金的成分。

  在研发519合金时遭受了很多挫折,第一难关就是热变形困难。总是锻不成材,研究工作根本无法进行。这时师先生提出:可否采用包套挤压方法试试,即在519合金锭外包上一层低碳钢,再去进行挤压。我们按师先生的方法,一试真成功了。由此我们很快测定了519合金的全面性能,其性能比当时性能最好的英国Nimonic 115好得多。消息传到北京钢铁研究总院,他们此时也开始研究高温合金,因而派人来我所学习。学后回去照着干,但挤出来的都是羊屎蛋,他们说我们对他们进行技术保密。当时技术保密是非常大的罪过。师先生立即派我去苏家屯有色金属加工厂,到他们现场了解情况。事实是他们偷懒,Φ200mm大的挤压锭,上午装炉,下午就挤,锭坯没有热透。我帮他们改为头天晚上装炉升温,到温度后,保温4小时后再挤,挤一个,好一个。

  包套挤压方法虽然解决了热变形成棒材的问题,但棒材还必须进行模锻才能制成涡轮叶片。而模锻不可能包套,因而很难生产出可实用的涡轮叶片。经过认真研究后,我们被迫放弃了变形涡轮叶片这条路。

  519合金的研究虽然放弃了,但用包套方法来改善难变形合金热变形能力的技术在国内得到了广泛的应用。所谓难变形合金,就是可热变形的温度范围比较窄的合金。在热加工时,被热加工工件表面很快降温,降到了可热变形的温度以下,所以无法进行热加工。如外面包上一层保温材料,使锭的表面温度仍在可热加工温度范围内,就可以热加工成材了。另外,用低碳钢包套,它不仅热加工性能好,而且软,因而在热加工过程中还起到了润滑作用,这也有利于难变形合金的变形。

  (二)1957年底师先生正式全面领导我所高温合金的研究

  通过约半年的实践,李所长对我所航空用高温合金材料的研究进行了调整。原205组仍研究高温合金,由师先生任指导老师,朱耀霄为组长,配合师先生工作;新成立206组,研究难熔金属,庄育智先生是指导老师,吴平森是组长;新成立207组,研究?;ね坎?,李薰所长是指导老师,李铁藩是组长;成立208组,专门研究金属陶瓷,郭可信先生是指导老师,戴受惠是组长。从此,师先生正式开始全面领导我所的高温合金研究工作。

  在师先生领导下,205组集中研究了涡轮喷气发动机最关键的铸造镍基涡轮叶片材料和铁基涡轮盘材料。涡轮喷气发动机的性能主要决定于涡轮前燃气进口温度的高低,进口温度愈高,性能愈好。限制发动机涡轮前进口温度提高的关键因素是高速转动的涡轮叶片材料的承温能力。能生产出高承温能力的涡轮叶片,就能生产出高性能的发动机,所以世界各国都想尽办法来提高涡轮叶片的承温能力。

  为了提高涡轮叶片的承温能力,首先要求用来制造涡轮叶片的高温材料在高温要有很好的强度。假如一种合金的高温强度很好的话,必然很难变形,因而这对矛盾是无法克服的。我们在师先生的领导下放弃了当时流行的变形涡轮叶片,改走铸造涡轮叶片的技术路线。如果用铸造方法生产叶片成功的话,就较易实现气冷空心叶片技术。气冷叶片可使涡轮叶片的承温能力一下子提高几百度,而合金的改进,能提高10℃就已经是很大成绩了,所以气冷叶片对提高发动机性能意义重大。后来的实践又证明铸造涡轮叶片又为定向柱晶叶片和单晶叶片生产打开了大门。所以铸造涡轮叶片在高温合金发展史中占有特别重要的地位。而我们在师先生的领导下,在李所长的支持下,在世界上与美国几乎同时开展了铸造高温合金涡轮叶片的研究。

  (三)铸造涡轮叶片材料的研究

  英国是当时的高温合金的研究中心,他们认为,对于高速转动的涡轮叶片,受力及其复杂,选用力学性能不稳定的铸造涡轮叶片是不适宜的。这一观点,当时被绝大多数研究者所接受。而我们要打破这一观点,需要慎重对待。师先生领导我们反复讨论和实践,最后得出了以下几点意见:

  1) 所谓铸造合金性能不稳定,是因为高温合金加入了大量特别容易氧化的元素,如铝,钛等。其在大气下熔炼和浇注时,很容易形成较多的氧化物夹杂物,使力学性能不稳定。现改在真空下熔炼和浇注,则不再有力学性能不稳定的问题,所以使用是可靠的。

  2) 根据大量的统计,涡轮叶片损坏的主要形式是疲劳折断。用铸造方法生产涡轮叶片一般都可以带冠,带冠后在相同的激振力下,叶片承受的疲劳应力可成倍地下降。因而用铸造带冠的涡轮叶片比模锻叶片使用更可靠。

  3) 用铸造方法生产涡轮叶片,免去了热加工的困难,因而可以进一步提高合金化的程度,提高合金的承温能力。

  4) 用铸造方法,有可能生产出气冷空心叶片。气冷可使叶片金属壁温降低几百度,也就是说,用相同的承温能力合金,经过气冷,可使燃气进气温度提升几百度,因而可大幅度提高发动机的性能。

  经过讨论和实践,认识到铸造叶片合金不仅可靠而且前景非常好,再加上李所长支持,工作进展特快,不到半年时间,我们在实验室中研究成功了我国第一个涡轮叶片用916铸造高温合金,并测定了全面性能。其力学性能远优于当时最好的变形涡轮叶片合金,承温能力至少提高25℃。我们拿着916合金的数据,到410厂要求进行试车。当时410厂技术上由苏联专家说了算。他们不同意试车,理由有二:一是铸造合金性能不稳定,二是真空熔炼,在工厂中无法实现。

  关于性能不稳定问题比较好解决,由我们提供几十根铸造样品,由410厂进行测试,结果很快就出来了,铸造样品的性能很稳定。关于真空设备普及问题,我们联系到锦州新生机械厂,对我们的真空炉进行测绘仿制。在1958年大跃进的形式下,他们于1958年年底就仿制成功了25公斤感应炉,后来又研制成功了200公斤真空感应炉。苏联专家的要求都满足了,似乎可以进行试车了。我们再一次到410厂要求试车。苏联专家又提出铸造合金冲击功太低的问题,要求我们将冲击功必须提高到2kg/m以上。没办法,我们只得回来,摸索提高合金的冲击功。经过再三努力,由原来的1.2左右,逐步提升到1.7左右,再也无法再提高了。后来的实践证明,要求冲击功提高到2kg/m以上是没有必要的。

  经过上述种种磨难,时间到了1960年的三年困难时期,铸造涡轮叶片工作被迫暂停。与我们几乎同时启动研究的美国,1963年宣布铸造涡轮叶片试车成功。如果没有苏联专家的阻难,我们可能早于美国首先试车成功。我们失去了世界第一次试车成功的机会,但这三年的努力,为后来1963年重新启动积累了经验和创造了物质条件,特别是真空感应炉在工厂的普及,也算没有白费工。

  (四)新的铁基涡轮盘的研究和推广

  涡轮盘是喷气发动机中又一重要部件。原苏联援助我们的米格15发动机,使用温度较低,用ЭN481合金制造,这是一种碳化物强化的合金,最高使用温度仅550℃,但随着高性能发动机的发展,需要一种能在600-650条件下使用的涡轮盘材。我们根据国家需要,努力研发我国自己的第一个铁基高温合金涡轮盘材料。

早年和师先生在一起

  为了发展新型战机,需要研究一种能在650℃下使用的涡轮盘材料。根据国外经验,在650℃下使用必须选用铁基高温合金。此时,国外已有成功经验,但属于保密状态,苏联也不把技术教给我们,我们必须自己摸索前进。我们克服了种种困难,于上世纪60年代,终于试制成功了我国第一个铁基高温合金涡轮盘材料——808合金,其成为我国上世纪6080年代的最主要涡轮盘材料,前后生产了上万个涡轮盘,为我空军战机的发展做出了贡献,因而808合金获得了1965年中国科学大会奖。

  808涡轮盘的研制工作,也倾注了师先生的大量心血。其工作分为两个阶段。1958年至1963年期间,重点的材料研究是在205组完成的。1963年以后,由于205组改组成AB-1任务组,需要承??招囊镀娜挝?,因而又组建了由肖耀天和郭建亭为主的808工作组,重点是下厂推广生产涡轮盘的工作。

  由于高温涡轮盘的迫切需求,60年困难时期也没有停顿。为了加速工厂试制进度,师先生亲自带队下厂。60年冬天特别冷,每天天没有亮就要赶到南站,坐闷罐火车去抚顺,晚上很黑了才回到沈阳,一个冬天都是如此。

  在抚顺钢厂炼出第一个大锭型的808合金,很顺利地锻造成棒材,但切开一看,整个棒的中心都有十字花的痕迹。师先生领着我们寻找原因,初步认为可能是锭中心存在缩管。生产808的锭模是借用生产普通钢的锭模,锭模壁很厚,热容量很大,再加上高温合金柱晶生长能力强,因而促进了808锭柱状晶的严重发达,产生了锭中心的缩管。我们将锭模壁的厚度减薄后,问题就解决了。后来,在肖耀天和郭建亭的推广中,几乎每走一步都遇到各种困难。进入锻造阶段,遇到了“炸裂”问题就是锻锭装炉温度高时,可听见如爆炸的声音,锭开裂了。原因是高温合金热导率低,膨胀系数大,装炉温度高,内外温差大,产生巨大热应力,产生“炸裂”。当进入车削和拉齿阶段时,无法加工,我们要帮着解决刀具问题等等。但经过他们的努力,终于大量地装备了我国空军。这是我国自己创建的第一个高温合金涡轮盘,并为以后发展高温合金涡轮盘开辟了道路,是我国高温合金领域的第一个重大成果,所以获1965年中国科学大会奖。

  (五)气冷铸造空心涡轮叶片的研究

  1963年,三年困难时期过去了,苏联专家也撤退了,六院提出搞气冷空心叶片。为了能争取到任务和很好的完成任务,在李所长的积极支持下,在师先生的领导下,调集了所内各方面的技术力量,在205组的基础上,组建了AB-1任务组。由师先生任组长,胡壮麒为副组长,朱耀霄和赵惠田为题目秘书,下设三个组:合金组:组长朱耀霄;冶炼组:组长张顺南;铸造组:组长赵惠田。

  气冷空心涡轮叶片任务提出后,当时研究高温合金的单位,主要是三家,除金属所外,还有航空部六院的606(621)和冶金部北京钢铁研究总院。三家都积极争取要承担任务,各家都提出了实现气冷的方案。我们的方案是铸造小孔方案,606(621)是铸造大孔方案,钢院是变形大孔方案。设计者认为小孔冷效高,是较优方案,将大孔方案作为后备方案。要求三家尽快拿出样件。由于我们有58年的实践经验,很快拿出了小孔样件,任务落实到金属所。

  为了完成小孔空心叶片任务,首先要在叶片中制出小孔。制孔方法,不外乎在??悄谑实蔽恢?,放置一些细丝,待叶片浇出后,将这些细丝溶解掉,则成带有小孔的叶片。这需要有化学知识的人员参加,所以当时请了姜晓霞参加AB-1任务组。

  寻找合适的细丝,花了很大精力。试用了钼丝、钨丝和各种化合物丝,都不理想。后来师先生在一本美国杂志上,看到一个出售细石英管的广告,由此联想到,这种细石英管是不是生产空心叶片用的细丝。我们一试真成了。丝的材料问题解决了,如何将其迅速溶解掉又成为主要问题??冀锥尾捎?span lang="EN-US">HF酸来溶解石英,效果还可以,但对人体危害太大,我们还伤了两个人,后来改用碱煮,效果也不错。

  我们在实验室试制成功后,马上到410厂生产正式叶片,并进行试车。1966年第一台套气冷空心叶片正式进行试车。但运行不足2小时叶片就飞了。这时说什么的都有,要想能继续进行下去,必须弄清原因,并彻底解决。当时成立了设计所(602所现606所)、生产厂(410厂)、研究单位(金属所)三家联合调查组,对事故原因进行调查分析,师先生派我参加调查组。经调查分析认为,是因为涡轮叶片榫齿给的公差不当造成的。

  苏联没有给我们设计图纸,榫齿是根据实物测绘给出的。当时给的是正负公差,这将使有的叶片处于正公差时,第一齿受较大的离心应力,再加上震动负荷集中在第一齿,两者叠加,使第一齿容易产生折断。当第一齿折断后,第二齿变成了第一齿,又折断了,这样各个击破,最后叶片飞了。如将正公差改成负公差,这时,叶片离心应力的大部分分布在第五齿、第四齿,而第一齿受的离心应力很小,主要仅承受震动负荷。这样使受力状态较均匀了,就不容易折断了。上述分析对不对,需要用实验来验证,立即又生产了一台套叶片进行试车,非常顺利,试车成功了。

  试车成功了,皆大欢喜。但问题又来了,为了试车,可以不讲成品率,但转入生产,成品率太低是不行的。当时的成品率仅2-3%,主要问题是断芯和脱不出芯。因为石英管与??堑呐蛘拖凳煌?,??窃诩尤裙讨腥菀渍鄱?;石英管内孔较小,很容易被腐蚀产物堵塞,影响脱芯。所以提高成品率成为任务能否全面完成的关键。

  根据国家的安排,气冷空心叶片生产转向贵州170厂。这是一座深山老林中的三线工厂,生活非常艰苦。为了提高叶片成品率,师先生多次带队去170厂,深得技术人员和工人的欢迎。经过攻关,成品率由2-3%,上升到10%,再上升到20%,再上升到30%,可以大批量的生产了。生产的叶片不仅满足了我空军的需要,还大批出口。

  气冷铸造空心涡轮叶片的研制成功,是我国航空工业的重大成果,大大提升了我国空军的战力,因而获得了国家科技进步一等奖。

  (六)低偏析合金技术

  涡轮叶片用高温合金,要求尽可能提高承温能力,提高合金的合金化程度是提高承温能力的途径。在变形高温合金时代,限制合金化程度提高的因素是热变形难度,其最高承温能力限制在950℃左右;在铸造高温合金时代,由于不需要热变形,因而允许进一步合金化,使承温能力提升到约1000℃左右,但又受到凝固偏析的限制。如果有办法能明显减少铸造高温合金的凝固偏析的话,则可再进一步提高合金化程度,提高承温能力。

 

先生90岁生日时向他汇报工作

  铸造高温合金的合金化程度已经很高,达到40%-50%,凝固偏析十分严重。每种合金元素是属正偏析,还是负偏析,偏析的严重程度主要决定于每种合金元素的凝固特性,同时,还与合金的凝固的温度区间大小和凝固速度的大小有关。凝固速度一般由于工艺条件的限制,很难作大的调整,而合金的凝固温度范围,则可通过提纯的方法,有可能大幅度减少。根据这一设想,我们对铸造高温合金中的一些微量元素进行了测试,结果证明,磷、锆、硼、硅四种微量元素,严重降低铸造高温合金的终凝温度,一般可使合金的终凝温度降到1100℃左右。通过严格控制着上述四个元素后,合金的终凝温度可提升到1200℃以上。一般的铸造高温合金初凝温度大约在1300℃左右,因此,通常的铸造高温合金,凝固温度范围达到约200℃,而严格控制;磷、锆、硼、硅合金的凝固温度范围缩小到不足100℃,因而合金的主元素的凝固偏析程度可大大缩小,我们称此类合金为低偏析合金。

  低偏析合金的凝固偏析程度减小了,因而允许加入更多的合金元素,使合金的承温能力得到再提高。我们据此发展了一些低偏析的铸造高温合金和定向柱晶,近年,郑志又发展了低偏析单晶合金。这些低偏析合金,分别比原合金承温能力约提高了25℃。这些低偏析合金,有的被一些重大工程选用,有的走上了市场。因此,低偏析技术和合金,分别获得国家自然科学奖和国家发明奖共三项,并被国际材料协会授予“实用材料创新”奖,还被“大不列颠百科全书”收录,使我国高温合金发展走在了世界的前沿。

先生为我80岁生日题词

  先生的一生,是勇于承担、不断探索、努力创新的一生,很值得我们后辈学习。

 

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