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。”這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，金屬所開始參與關鍵部件載人艙的研制。

　　2020年11月，采用國產原創技術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。”

　　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域，很少涉及海洋，這項工作又“前無古人”，沒有多少國際經驗可供借鑒。

　　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，主持會議的領導說：“載人艙是成敗的關鍵。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，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”。楊銳等人依據交付時間倒排進度，發現沒有任何回旋余地。

　　“當務之急是盡快確定優化的合金成分，為后續工程化研究爭取時間。”楊銳當機立斷，做出判斷——不可能一輪又一輪反復試錯，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：放棄數據齊全、制造經驗豐富的Ti64，研制新型鈦合金。“這是制造載人艙的最大技術挑戰。”楊銳告訴《中國科學報》。

　　團隊很快將目光鎖定與Ti64韌性相當的Ti62222。

　　這一合金的設計初衷是取代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。

　　2014年春節假期，楊銳“閑來無事”，讀遍了能找到的所有相關文獻。突然，一篇論文引起他的注意。上世紀90年代，美國學者研究發現，引起合金脆性的歐米伽相結構并不完美。楊銳琢磨發現，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”，通過合金設計改造歐米伽相，從而使這個惡性腫瘤變成良性。

　　他聯想到另外兩項工作，分別是同日本國立材料研究機構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定，從而提高韌性。

　　由此，新型合金設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系，要同時提高，難于上青天。”楊銳說。

　　金屬所的雄厚基礎和經驗優勢此時再次發揮作用，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。”他們將精力集中于少數尚不熟悉的元素，打殲滅戰，在短時間內掌握規律并確定定量關系。

　　最終，經過實驗驗證，中國原創的新型鈦合金Ti62A誕生了！它的韌性和可焊性與Ti64相當，強度提高20%。

　　“以前我們講國產化，還是在追趕別人，現在已經不僅是國產，而是國創了。”楊銳自信地說。

　　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，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，飛機反復起飛導致的載荷周期性變化，對鋼等金屬不會產生較大影響，卻會引發鈦合金保載疲勞現象，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現了這一現象，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，保證其可以放心使用。前期的研究基礎為項目按時完成節約了大量時間。

　　合金小樣品性能好，并不代表大規格板材性能一定好，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。此時輪到團隊中的馬英杰出場，制備復合片層正是他的拿手好戲。

　　通過設計獨創的鈦合金兩級交錯片層狀顯微結構，他們在國內最大厚度的寬幅鈦合金板材中實現了復合片層組織的控制目標。同傳統組織相比，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%。

　　“開發原創技術、破解‘卡脖子’問題，還是要站在前人的肩膀上。沒有基礎研究的積累，拍腦袋做不出來。”楊銳說。金屬所有著幾十年的高溫鈦合金研究積累和國際交流經驗，這也許是他們驚險過關的制勝法寶。

　　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，現場卻遲遲沒有消息。眾人坐在會議室內，感到那天的空氣有點潮、有點悶。“又等了45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，開工前設備發生了點故障。事后回想，大家都有點后怕：如果故障發生在焊接過程中，后果不堪設想。

　　建造萬米載人球艙，必須克服材料、成形、焊接等一系列難題。在國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項支持下，金屬所牽頭，同寶鈦股份、七二五所等單位聯合攻關。“大家都拿出了看家本領，突破自我、精誠合作，最終按時保質完成任務。”楊銳說。

　　經此一役，我國不僅在鈦合金科學領域進入國際前列，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指標均打破國內紀錄，電子束焊接技術國際領先。

　　楊銳說：“這就是需求驅動的力量。”

　　在整個項目進程中，金屬所在短時間內突破了材料難關，與各部門協作，還經歷過項目周期縮短和經費縮減。作為帶頭人，楊銳卻樂呵呵地說：“你看我像害怕壓力的人嗎？我還經常給別人當‘心靈按摩師’。”

　　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壓力變成精神壓力。他也是很有規劃的人，高風險的技術會安排備選路線，并行發展；每個時間節點必須完成的事，也會督促大家完成。”

　　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。”