人類在大約公元前五千年由石器時代進入青銅時代，而后又在公元前一千二百年步入了所謂的鋼鐵時代。在煉銅技術逐步提升時，我們的祖先已經不知不覺的發現了合金，合金由此開始循序漸進地走進人類的生活實踐。近代以來，鈦合金登上了世界工業舞臺，成為了社會經濟發展中尤其是高端裝備中不可替代的材料。當你聽聞 C919 大飛機正式下線之時，當你聽聞新型戰機試飛成功之時，到你看到中國洲際彈道導彈亮相天安門之時，當你看到“霹靂火”直 10 武裝直升機騰飛時，當你為我們祖國空軍的不斷強大而激動自豪時，你可曾想到這些高端裝備上用到一種至關重要的材料——鈦合金，它的應用比例是一個國家航空工業發展水平的象征！

    鈦合金密度低、比強度高、耐腐蝕……這些突出優點使其在飛機結構和航空發動機中獲得了廣泛的應用。有這樣一位老人為鈦合金的研制和中國航空事業的發展嘔心瀝血，貢獻了自己的全部青春和畢生精力。他就是中國科學院院士、著名航空材料專家、我國航空工業鈦合金研究與應用的創始人之一，“航空報國金獎”、“航空航天月桂獎終身奉獻獎”得主曹春曉院士。6 月 30 日上午，記者前往中國航空發動機集團北京航空材料研究院 （以下簡稱航材院） 感受了這位82歲科學家的科研人生。

    風雨兼程六十載 碩果累累報祖國

    曹春曉出生在煙雨江南，求學在上海，學成后北上京城，在西山腳下的航材院數十年如一日從事鈦合金的科研工作，并成為國內外知名的鈦合金專家。

    1956 年，22 歲的曹春曉剛從上海交通大學金屬壓力加工專業畢業后來到了航材院工作，適逢當年航材院正在籌建日后在航空領域大顯身手的中國第一個航空鈦合金試驗室，曹春曉有幸成為其中的一員，并由此走進了一個神秘而又嶄新的世界，實現他獻身于國防科技事業的夙愿。

    在現代材料科學與技術的發展歷程中， 航空材料一直扮演著先導和基礎作用， “一代材料，一代裝備”。隨著美國普惠公司首次研制出的鈦合金葉片被成功的應用于航空發動機上，具有優異特性的鈦合金在各種航空結構材料中的使用比率也不斷上升，并逐步成為現代航空器不可或缺的材料，盡快將鈦合金應用到飛機制造業，也是我國航空發展史中必不可少的環節。

中國航空發動機集團北京航空材料研究院

    1965年，曹春曉肩負課題負責人的重任，選擇TC4鈦合金為突破口，創造性地解決了各種技術難題，曹春曉團隊終于研制出來由鈦合金制成的飛機發動機葉片。

    1966 年，我國第一臺裝上鈦合金葉片的航空發動機長期試車成功，掀開了我國航空發動機用鈦史的第一頁，實現了零的突破。此后的十幾年中，在曹春曉的推動下，與其他科技人員繼續努力，將 TC4 鈦合金葉片和壓氣機盤擴大到五六種機型之中，取代原來笨重的鋼葉片和鋼盤，顯著地減輕了發動機重量，提高了發動機的推重比，為我國空軍裝備的現代化做出了重要貢獻。技術鑒定會為其作出了中肯的鑒定：“TC4 合金產品的組織性能達到了國際及美國宇航材料標準，它的研究成功為我國鈦工業的發展和在航空工業中的應用奠定了基礎，起到了開路先鋒的作用。”

    1979 年，我國決定用殲 8 Ⅱ等新型殲擊機裝備空軍，新型機所用渦噴 13系列發動機需要一種耐熱溫度、拉伸強度比 TC4 高的 TC11 鈦合金，用以制造第三至第八級壓氣機盤、轉子葉片和第一至第七級靜子葉片。由于研制難度大，冶金部和航空部一度考慮花 500 萬美元從國外購買。曹春曉得知后，決定率領航空部內外的同仁展開了攻堅戰，研發我們國家自己的鈦合金。鈦合金大型模鍛件及其坯料的金相組織很不均勻是長期未能解決的“老大難”問題，他十分清楚，他們的研究對于新中國的軍事、經濟和社會發展，具有重要的戰略意義。

    記不清在多少個廢寢忘食的日日夜夜之后，曹春曉創造性的提出了一種高低溫交替的新型鍛造工藝，能顯著改善大鍛件內部組織性能的均勻性和穩定性。

    裝上了 TC11 合金的渦噴 13 發動機按計劃順利通過了長期試車。由于 TC11鈦合金具有優良的綜合性能，且工程化生產應用方面比較成熟，自研發成功至今， 不僅大批量地應用于渦噴13發動機，而且推廣應用到昆侖、渦扇 9 等發動機，成為我國軍工系統用量最大的一種鈦合金。該成果獲得了 1987 年國家科技進步一等獎（他是第一完成人）。

    之后，曹春曉又主持開展了以殲 7型機減速傘艙梁為應用典型零件的TC11合金應用研究工作，與團隊成員一起首創了 BRCT 熱處理工藝，使 TC11 合金變成了獨樹一幟的兼有“四高二低”（高溫、高強度、高韌性、高剛性、低密度、低裂紋擴展速率）特性的鈦合金。該成果獲得了1995 年度國家發明三等獎 （他是第一發明人）。

    1986 年開始，為進一步提高發動機的推重比，迫切需要研制和應用一種能耐更高溫度的新型鈦合金。于是曹春曉作為“550℃高溫鈦合金的應用研究”

    這一重點預研項目的負責人，率領跨部門的大型聯合課題組，突破了八大關鍵技術，圓滿地完成了預定任務，通過了部級鑒定。鑒定委員會認為：“Ti-55 合金是我國獨創的含稀土元素釹的 550℃高溫鈦合金，該合金在某新型航空發動機壓氣機盤、葉片和鼓筒上的成功應用，標志著我國高溫鈦合金的應用達到了新水平，形成了由 TC4、TC11、Ti-55 組成的航空發動機用主要鈦合金系列”，“在率先應用含釹新型鈦合金以及急冷式 β 模鍛、三重式 α+β 熱處理等關鍵技術方面具有創新性”。該項目于1998 年獲國家科技進步二等獎。

    此后，始終關注科技前沿的曹春曉獲悉國外有人正在研制一種使用溫度可達 650-700℃的金屬間化合物 Ti 3 Al后，隨即提出立項論證報告，被列入國家“863”高科技項目。他率領課題組創造性地采用了具有我國自己特色的熔煉、鍛造和熱處理工藝 （其中新型均勻化熔煉技術已獲國家發明專利，他是第一發明人），突破了“室溫脆性”

    等技術難關，成功地研制出了我國第一批 Ti 3 Al 合金航空發動機零件。1990 年底，他為此獲國家科委工業技術司和國家高技術新材料領域專家委員會授予的“重要貢獻獎”。他為把這一高風險的“革命性”材料推向實用化作出新的努力。在大量性能數據的基礎上，一臺裝有 Ti 3 Al 合金（TD2）零件的航空發動機首次試車成功，在整個金屬間化合物領域中起到了示范帶頭作用。在 1996 年評審驗收中被國防科工委和中國航空工業總公司專家組評為 A 級。部級鑒定意見中指出：“TD2 合金工藝及性能穩定，拉伸強度、塑性、斷裂韌性、沖擊韌性等關鍵性能優于美國同類合金（超 α2合金），在均勻化熔鑄工藝等實用化關鍵技術、性能系統研究以及 Ti 3 Al 基合金轉子零件率先地面臺架試車等方面居國際領先地位。”

    其后，他與課題組同志一起，又研究成功一種綜合性能更優的新一代 Ti 3 Al合金（TD3），并在生產條件下研制出我國迄今為止最大的 Ti 3 Al 合金鍛件。

    與此同時，他還在積極研究可在 750-850℃下長期工作的 TiAl 合金，已取得重要進展。

    在學術理論上曹春曉也頗有建樹。

    他先后發表論文二百余篇，在國內外鈦學術界頗有影響。1978 年他從英國考察鈦合金回來，主導撰寫了 10.25 萬字的考察報告，受到了各有關廠、所、院、校的廣泛好評。1980 年他赴日本，在第四屆鈦國際會議上發表了題為“β 轉變組織形態等組織特征對 Ti-6Al-4V 合金力學性能的影響”的論文，在當時科技界普遍偏重控制鈦合金等軸初生 α 含量的情況下，他闡明了 β 轉變組織形態對力學性能起關鍵作用的獨到見解，引起了各國學者的廣泛重視。他參與編寫的《鍛件質量分析》一書獲 1983 年全國優秀科技圖書二等獎。他先后圍繞鈦合金β脆性形成和消失的塑變條件、高低溫交替熱變形技術基本原理、各類顯微組織的形成和變化規律、疲勞與斷裂行為及其特征、釹在鈦合金中的存在形態和強化機制、鈦燃燒及阻燃機理、鈦基復合材料中富釹氧化物顆粒的析出行為、各 種 元 素 在 Ti 3 Al 和TiAl 合金中的作用規律和機理等方面深入開展應用基礎研究工作和發表學術論文，而這些學術思想的形成和交融正是他能取得上述累累碩果的基礎。

    曹春曉從青年時代起開始與鈦合金結緣， 彈指一揮間， 六十載歲月匆匆而過。

    如今，已步入耄耋之年但銳氣不減當年的他，仍然堅守在科研工作第一線，為我國的科研事業繼續貢獻著智慧和力量。

    回首幾十年的科研生涯，曹院士感慨道：“我只是眾多科研工作者中的一員，能為祖國的建設發展做一些事情，我感到很自豪！”

    打造航空強國夢 不可或缺鈦材料

    從 20 世紀 50 年代開始， 鈦合金在航空航天領域中得到了迅速的發展。

    該應用主要是利用了鈦合金優異的綜合力學性能、低密度以及良好的耐蝕性，比如航空構件要求高抗拉強度并結合有良好的疲勞強度和斷裂韌性。而鈦合金的優異的高溫抗拉強度、蠕變強度和高溫穩定性也使之被應用于噴氣式發動機上。提升飛機性能的關鍵之一就是要減輕飛機的結構重量，對結構輕量化等方面有增無減的剛性需求，使航空應用領域越來越離不開鈦。鈦合金是當代飛機和發動機的主要結構材料之一，應用它可以減輕飛機的重量，提高結構效率。曹院士表示我國航空材料的發展水平也正在由材料大國向材料強國過渡。

    目前世界上已在使用的合金，我國基本上都具備研發出來的能力，而且還擁有一些具有自主知識產權的合金件工藝技術。近十年來，我國的鈦合金產業發展較快，鈦材產量已列居世界第一位，整體鈦合金發展水平也居于世界先進水平，然而目前國內的鈦合金材料研究原始創新稍顯不足，要在鈦業大國的基礎上，邁進鈦業強國，需要提升自主創新能力，增強原始創新能力，研發一些具有自主知識產權的可以在國際上叫得響的航空材料。

    當前復合材料和鈦合金這些材料得到大規模的發展和應用，過去使用Ti-6AI-4V（TC4）鈦合金，現在我們在繼續使用的同時，還研發出強度等性能更高的鈦合金新品種，經過多年試驗，飛機很多部件已開始使用這些新的鈦合金。此外，另一具有斷裂韌性高、疲勞裂紋擴展速率慢等特點的新品種合金 -- 高損傷容限鈦合金的出現，也是飛機上的鈦合金用量越來越多的重要原因。

    另一方面， 復合材料與鈦合金是 “最佳伴侶”，相輔相成，互相促進。復合材料含有碳纖維，應用中如果與鋁合金接觸，碳纖維與鋁合金之間有電位差，而隨著時間推移鋁合金會被慢慢腐蝕，降低飛機安全性。因此，與復合材料接觸使用的鋁合金，就需由鈦合金來代替以提高和保證飛機的安全性。

    曹院士總結道，鈦合金越來越受到廣泛的應用主要原因有兩個方面：一方面是因比強度高而減輕飛機的結構重量；另一方面是由于耐腐蝕性優良。

    談及到飛機在嚴酷的海洋環境服役中如何防護時，曹院士說，由于鈦合金具有很好的耐蝕性能，可以加大海洋服役環境中飛機的鈦合金使用比重，但由于鈦合金價格較高，出于經濟考慮，鈦合金材料需用在刀刃上，在關鍵的部件上加大鈦合金的使用比重，以保證海洋服役環境中飛機的穩定性和安全性。

    發展國產大飛機 四大原則需遵循

    當前，歐美大型飛機機體的材料結構正從以鋁合金為主過渡至以復合材料為主，新型大型飛機的材料技術特色首先是復合材料和鈦合金用量不斷創歷史新高，以大幅度減輕飛機結構重量和降低燃油消耗；其次一些具有新意的材料技術先后會推出，其中包括復合材料整體機身段、全鈦發動機掛架、纖維金屬層板、第 3 代鋁鋰合金、新型高強鋁合金、新型高強高韌鈦合金等。曹院士表示中國大型飛機的選材原則需做到以下幾點：

    （一）必須在更高的層次上綜合評估選材方案的安全性、經濟性、舒適性和環保性。與小型飛機相比，大型飛機對選材的要求具有 4 個“更高”的特點，即更高安全性，更高經濟性，更高舒適性和更高環保性。波音公司之所以把波音 787 的復合材料用量增加至 50％左右， 就是認為這在更高層次上符合了 “四性”的要求。其具體理由是：復合材料經 30 多年的研究和應用，技術上已經成熟，在安全可靠性上是符合要求的，何況復合材料的損傷容限和抗蝕性顯著優于鋁合金，更有利于耐久性和安全性的提高；飛機結構重量大幅度減輕帶來的經濟效益（包括燃油消耗和維修費用顯著降低等），遠遠超過了它的負面效應（制造成本較高）；復合材料的應用使舷窗尺寸加大 30％，客艙濕度和氣壓有所提高，讓旅客享受更舒適的空中旅行；大量節省燃油也明顯有利于環保性。

    中國大型客機在推出之時，應具有當時的國際市場競爭力，因此其選材也必須充分考慮“四性”，否則就不具備與國外同類客機的競爭能力。這個要求非常高，難度很大，但又必須努力去達到。

    這是因為：一代材料，一代飛機。

    （二）必須盡早具備自主供應關鍵材料的能力。對于大型客機用的材料，可按市場競爭原則進行全球采購，但這個“全球”理應包括國內供應商，特別對于關鍵材料，都應盡早具備自主供應的能力，大力安排國產關鍵材料的研制任務并及早解決適航問題，以免出現受制于人的被動局面。

    （三）必須充分考慮“材料共用，成果共享”的原則。為了縮短中國的大型飛機研制周期、節省研制費用、降低銷售價格和提高成熟程度，建議設計和材料工作者緊密結合，盡可能增加不同用途大型飛機共用材料的比例。這樣做更有利于客機用國產材料通過適航條例。

    （四）必須重視先進材料特別是具有中國特色的先進材料的選用。既然要求中國大型客機要具有國際競爭力，就必須在符合安全性要求的前提下盡可能選用一些先進的航空材料，特別是要充分重視具有中國特色的先進材料的選用，例如 TC21 鈦合金不僅具有國際先進水平的性能，而且在合金及其鍛造工藝上都具有自主知識產權。

    科研之路多磨礪 “三勤” “三善”伴我行

    當記者問及年輕的一代從事科研工作該如何取得成功？曹院士表示年輕人應做到“三勤”“三善”。他列出了四個要素：天資、勤奮、機遇、修養。他解釋道：主要是勤奮和修養。勤奮包括三個方面：勤學習、勤實踐、勤思考。謂之“三勤”，缺一不可。修養方面則要做到“三善”：善自控、善合群、善生活。曹院士本人就是“三勤”、“三善”的一個很好的榜樣。他既是一種事業型的人，又有著廣泛的業余愛好和豐富的精神生活：體育、音樂、跳舞、下棋、種花養草等都是他業余的愛好和休閑方式。這位大學時代就入黨的學者，集中了新中國培養出來的第一代知識分子的諸多優點：勤奮、刻苦、事業心強、責任感強、淡泊名利、報效祖國。這些言簡意賅、意蘊深長的格言既是他處世經驗的提煉，也是指導他走向輝煌人生的路標，同時也為現代從事科研工作的年輕人指引前進的方向！

    后記：

    如今，中國的航空夢已經撥云而出。只要科研工作者心懷祖國、情系航空、志在超越、腳踏實地、創新圖強、團結和諧，相信中國自主設計制造的一代又一代先進的飛機和航空發動機就一定能不斷展現于世界航空之林。

    人物簡介

    曹春曉，浙江上虞人，中國科學院院士，材料科學家，國家級突出貢獻專家，中國鈦合金研究與應用的創始人之一。現任中國航空發動機集團北京航空材料研究院研究員、博導、學位評定委員會主席，國家國防科工局科技委委員兼大型飛機材料研制專家咨詢組組長、國家大型飛機重大專項專家咨詢委員會委員、中國有色金屬學會資深常務理事、《材料工程》雜志主編等。

    曾任全國博士后管委會材料科學與工程專家組組長、國防科工委專家咨詢委員會委員、中國機械工程學會塑性工程學會理事長、中國有色金屬工業協會鈦業分會會長、南昌航空大學學術委員會主任、先進高溫結構材料國防科技重點實驗室學術委員會主任等。

    他長期從事以鈦合金為主的航空材料研究和應用工作，不斷開創創新型鈦合金和鈦 - 鋁系金屬間化合物及其制備工藝，獲得國家級和部級科技成果獎 16 項，其中國家科技進步一等獎（第一完成人）1 項、二等獎 3 項、國家發明三等獎 2 項。發表論著 200 余篇。1993 年被航空航天部評為優秀研究生導師，1996 年獲光華科技基金獎一等獎，1997 年當選中科院院士，2001 年獲中國航空工業系統最高獎 -- 航空報國金獎，2006 年獲航空報國突出貢獻獎，2012 年獲中國鈦工業杰出貢獻獎，2013 年獲航空航天月桂獎終身奉獻獎，2014 年獲中國航空學會杰出貢獻獎，2016 年獲中國有色金屬學會中國鈦科技終身成就獎。