日博官网365.tv,可以折磨多少坚硬的骨头成为“斗士”?

机舱“战斗”完成了电子束焊接。照片由中国科学院金属研究所提供
“杨蕊和他们的其余部分都是坚强的骨头。”这是研究团队的同事对杨锐团队的评估。
“看九天五海中的月亮和海龟”是中国科学院金属研究所研究员杨瑞(以下简称“研究所”)的坚韧骨骼总和。飞机引擎,长征5月5日火箭弹,深达10,000米的潜水器“奋斗”……他们提供了所有关键材料。
从9年前的“天堂”到“海底”。当时,中国即将进军海洋深渊,金属研究所开始参与有人驾驶舱关键部件的开发。
2020年11月,使用国产技术和材料制成的载人钛合金球形机舱提供了令人满意的答案。这场战斗创造了中国载人深潜在马里亚纳海沟10909米的新纪录,使中国成为世界第二大国家之一世界实现了10,000米的载人深潜。
杨锐回顾了长达九年的勘探过程,并说:“跌宕起伏,有惊喜,但没有危险。”
立法命令
杨瑞知道要建造一艘长10,000米的三人深海潜水器,会感到有点鼓声。
对于10,000米的潜水,有人驾驶舱必须承受110 MPa的水压,这相当于2,000名非洲象踩在成年人的背上,以前成功的10,000米有人驾驶两人舱是极限为了越过这个极限,杨扬认识到他只能依靠核心技术的重大突破。此外,金属研究所钛合金研究部门的工作主要集中在航空航天领域,很少影响海洋。这项工作是“无与伦比的”,没有太多的国际经验可借鉴。
为了准备进行10,000米深的潜水,中国科学院首先启动了海豆深渊前沿科学研究和攻关试点项目。首席科学家丁康曾表示,有人驾驶舱是10,000米载人深潜的最大障碍,如果我们能够通过大家的努力取得突破,我们一定会将中国的深潜事业提升到一个新的高度。那句话给杨蕊留下了深刻的印象。
在2013年的一次演示会议上,会议主席说:“有人驾驶舱是成败的关键。杨瑞,你能做到吗?”
杨锐没有立即回答这个问题。
到那时,他已经与金属研究所钛合金研究部副主任雷家峰以及年轻的脊柱马英杰集思广益,并做了几次准备工作,但当时“确实缺乏信心,一开始的胸部。“射击”。
杨瑞花了三到五秒钟考虑了各种情况。最后,他抬起头回答:“只要项目到位,就可以做到。”
后来,该项目成功建立,但是完成时间从“第十四个五年计划”移到了“第十三个五年计划”。杨锐和其他人根据交货时间取消了计划,发现没有回旋余地。
“最紧急的任务是尽快确定优化的合金成分,以便为以后的技术研究腾出时间。”杨蕊做出了一个关键决定:反复进行反复试验是不可能的,我们必须尽快找到指导原则。
脱下Ti62A
强度和韧性是金属的一对相互矛盾的特性,也就是说,硬质合金通常是“脆性”的,并且塑性差,而高韧性则是坚固而安全的。在过去的30年中,世界上几乎所有深潜式潜水器的载人舱都是由Ti64合金制成的,正因为如此,Ti64可以保持中等强度的高韧性,但是为了建造3人座的球室可以承受10,000米深的海水压力,无论计算如何,都超过了Ti64的极限。团队只有一个前进的方向:让Ti64拥有完整的数据和丰富的经验,并开发一种新型的钛合金。
杨瑞告诉《中国科学日报》:“这是制造载人驾驶舱的最大工程挑战。”
团队很快将目光投向了Ti62222,其韧性可与Ti64相媲美。这种合金的最初意图是替代Ti64.1980年代在美国提出后,它一直风靡一时,但由于技术缺陷而失宠。金属研究所钛合金研究室解决并分析了“十一五”期间Ti62222的不足,具有良好的研究基础。
在2014年春节期间,杨蕊“无事可做”,并阅读了他能找到的所有相关文件。突然,他正在阅读的报纸引起了他的注意。在1990年代,美国科学家发现导致合金脆性的Omega相结构并不完美。杨锐发现,外观越不完美,对外观的损害就越小。
这给了他一个启迪:也许可以找到一种“魔术药”通过合金设计来转变欧米茄相,从而使这种恶性肿瘤变得良性。
他正在考虑另外两项任务,分别是日本国立材料研究所和英国劳斯莱斯公司共同研究的钛-铌-钯合金和钛-铌-钼合金。铌元素说不。青岛未知的其他元素出乎意料地提高了韧性。元素周期表中钯和钼的位置在钛的右侧。
杨锐立即向同事胡庆苗研究员解释了这个想法,他放弃了假期,回到实验室,理论计算证实,钼与先前分析过的钯一样可以降低欧米茄相的稳定性,从而提高韧性。
结果,新合金设计的主要思想逐渐变得清晰:避免元素周期表中钛以下的难熔金属元素,并增加右边的元素以获得最佳的强度和韧性比。
说起来很容易,但是要做到“正确”是极其困难的。金属材料的强度和韧性通常成反比。要同时改善,就很难到达天堂。”杨锐说。
此时,金属研究所的坚实基础和经验优势再次发挥作用。雷家峰在这一方向上进行了15年以上的研究,并且对合金中十多种元素的习性有深入的了解。杨锐笑着说:“闭上眼睛,您知道在不同温度下将要行驶的地方。“他们将精力集中在一些未知因素上,与歼灭斗争,掌握了法律并在短时间内确定了定量关系。
最终,经过实验验证,中国原创的新型钛合金Ti62A诞生了!其韧性和可焊性与Ti64相当,强度提高了20%。
杨锐自信地说:“过去,当我们谈论本地化时,我们仍然会追赶其他地方。现在不仅是国内的,而且在国创。”
魔法武器
潜水10,000米需要3个多小时,而为了在水下进行6个小时的科学研究,载人舱也面临钛负载疲劳的问题,幸运的是,金属研究所对此进行了深入研究。飞机起飞和爬升时引擎的噪音较大,而在水平飞行期间则较低,这是因为爬升需要更大的动力,但是由于飞机反复起飞而引起的载荷的周期性变化并不需要对钢铁等金属有显着影响,但会导致钛合金疲劳,从而大大缩短其使用寿命1972年,劳斯莱斯在分析飞机事故时首次发现了这种现象,而这一难题尚未完全解决。
2009年6月,劳斯莱斯公司首席钛合金专家Yang Rui和Ruan Ge在欧洲钛合金会议上宣布成功,并决定合作研究钛合金的强度,因为需要进行大量的材料取样和样品处理。这项工作非常耗时,前后成本超过一百万元。因此,杨锐金属研究所的邱建科已经成为中国钛合金疲劳应力的“最昂贵”的博士生和最全面的研究人员。
在有人驾驶舱的开发过程中,邱建科对Ti62A进行了疲劳研究,以确保其可以安全使用。临时研究基金会节省了大量时间,因此该项目可以按时完成。小合金样品的良好性能并不一定意味着大板性能良好,特别是对于大厚度板,无法同时实现高强度和高韧性。那时,轮到马英加入球队了,复合层的准备是他的技能。
通过开发原始的由钛合金薄板制成的两阶段交错式微结构,他们达到了控制中国最厚,厚度最大的钛合金薄板中复合板结构的目的。与传统结构相比,球窝的性能得到了极大的改善:强度提高了5%,塑性提高了15%,断裂韧性提高了10%,裂纹扩展率降低了2到5倍。“要开发原始技术并解决袖套卡住的问题,您仍然必须站在前任的肩膀上。没有基础研究的积累,您就无法用头脑做这件事。”杨睿对《中国科学新闻》说。根据她在国际交流中的经验,Metal已经对高温钛合金进行了数十年的研究,这可能是她惊险的法宝。
激动人心的时刻
在2019年6月17日,施工仅一步之遥。
晚上10点后,杨锐和其他人在中国船舶工业公司第725研究所的会议室里静静地等待着。一栋建筑物是电子束焊接车间,其中有人操作室的两个半球被焊接在一起。
焊接技术的使用是项目团队的开创性工作,也是风险之一。在2019年,美国潜艇“ Extreme Factor”的两人座舱中使用螺钉连接了两个半球,该潜员下潜了10,000米。该三人座舱具有更大的承重能力,更高的材料强度和焊接困难。
由于资源有限,这个球棚只能成功,而不能失败,不能容忍任何轻微的错误。但是预定的时间已经过去了,但是现场没有消息,坐在会议室的每个人那天都感觉空气有些潮湿和发粘。
“又等了45分钟之后,有人终于说焊接完成了。我们急忙判断焊接外观成功!”召回杨蕊。
事实证明,在开始施工之前,设备出现了故障。回顾过去,每个人都有些害怕:如果焊接过程失败,后果将是灾难性的。
为了建造长度为10,000米的载人球形机舱,必须克服许多材料,设计和焊接困难。在国家研究与发展计划“关键深海技术和装备”的支持下,金属研究所率先与宝钛有限公司合作,为725研究所解决重要问题。杨锐说:“每个人都表现出自己的预算技巧,突破自我,精诚合作,终于按时高质量地完成了工作。”在这场斗争之后,中国不仅成为钛合金科学领域的世界领导者,同时也大大改善了钛合金铸锭的重量,片材宽度和厚度等制造工艺指标。电子束焊接技术是国际领先。
杨锐说:“这是需求驱动的力量。”
在整个项目过程中,金属研究所在短时间内突破了材料壁垒,协调了各个部门的合作,缩短了项目周期并减少了财务资源。作为领导者,杨锐高兴地说:“您觉得我像一个不怕压力的人吗?我经常为他人做“精神病医生”。
马英杰告诉《中国科学新闻》:杨是一个乐观的人,一直主张不要将技术压力转化为精神压力。他还是一个很有计划的人。高风险技术将安排替代路线并平行发展;此时需要完成的工作将使每个人都完成工作。”
2020年11月28日,突破10,000米的战斗重新开始,杨蕊来到三亚迎接同志的胜利。那天南山港码头人很多。杨蕊在鲜花和掌声中感慨地说:“我曾经是航空航天的材料。现在,“大海和天空”都被吸收了,但是名气和兴奋总是会出现。通过后,科学技术人员将返回冷库并进入下一轮战斗。”(陈焕欢)
邱建科,雷家峰,杨锐,马英杰(左起)在“奋斗”归来的欢迎仪式上。照片由中国科学院金属研究所提供
资料来源:《中国科学报》