“钛魂”铸重器 初心映星河

 

从马里亚纳海沟万米深处的“奋斗者”号载人舱，到托举“嫦娥”探月的长征五号火箭氢泵叶轮，再到国产大飞机发动机的涡轮叶片，中国科学院金属研究所钛合金研究部（以下简称研究部）团队，将钛这种材料锻造成支撑大国重器的坚强骨骼。

他们的研究成果屡次突破极限。这些成果，如同一部新中国高端材料发展史的缩影。

支撑这些辉煌成就的，是一种如钛合金般独特的科研品格，轻盈而能承千钧，坚韧可行至远方，在星辰大海处闪耀光芒——以“开拓之勇，实践之诚，奉献之志，求真之执”熔炼而成的“钛魂”，是这支近两百人队伍的集体气质。

开拓之勇：于无人区踏新路

2012年，我国“蛟龙”号成功突破7000米深度后，万米载人深潜关键技术攻关正式启动。作为深海探测器的“生命舱”，载人舱材料成为首要攻克的关键。

当时，国际上的4个万米深潜计划都不约而同地选择了透明玻璃载人舱方案。这一选择迅速成为国际热点，国内也有不少专家开始担心钛合金会落后。

团队负责人、当时的研究部主任杨锐，作为万米载人舱材料与制造技术攻关负责人承受着巨大压力。他与团队回归科学本质，详细搜集各类数据，从断裂力学的基本原理出发进行认真计算。计算结果给出了明确答案：以当时掌握的材料性能水平，钛合金的承压能力约为玻璃的84倍。

杨锐果断拍板，彻底放弃玻璃方案，坚定选择钛合金路径。事实证明了这一选择的远见。至今，那4个曾备受瞩目的玻璃载人舱方案，仍停留在图纸和设想阶段。而中国的钛合金载人舱，已伴随“奋斗者”号多次潜入万米深渊。

然而，选定方向只是闯过了第一道观念关。

当时国际上通用的Ti64钛合金，仅能勉强制造载两人的舱体，且存在焊接后韧性大幅下降的致命风险。而中国的目标是：三人舱，万米深度。这是一条真正无人走过的路。

“Ti64的路走不通，就走一条新路。”杨锐的声音不高，却决定了团队的方向。这意味着要从合金设计的源头重新出发。

实验室变成了“冶金厨房”。钛、铝、钒、钼、锆……各种元素如同食材，在真空熔炼炉中被反复配比、冶炼。每一道“新菜”出炉，都要经历拉伸、冲击、疲劳等一系列苛刻的“品鉴测试”。而最核心的考验，在于载人舱焊缝的韧性是否与舱体材料浑然一体。

失败是常态。团队经常围在一起，对着扫描电镜下的断口照片，分析微观组织的“症结”。每当有人灰心，总会有同伴说：“怕什么？这次我们知道了这个成分比例不行，那么离‘行’的那个点，又近了一步。”

历经12轮艰难的摸索，一种被命名为Ti62A的新型钛合金终于诞生。其焊接接头性能曲线完美覆盖了所有设计指标。一位博士生在实验记录本上，画下了一个小小的、颤抖的感叹号。

但实验室的成功只是半场。

团队成员立即带着核心数据和工艺方案，扎进协作工厂的焊接车间。在电弧与电子束的光芒中，在工人们将信将疑的目光下，团队用上千次的工艺试板，将实验室的“最佳参数”，固化为工人师傅手中稳定复现的“操作规程”。

勇气的真谛，在于看清前路险阻后依然选择前行。

最终，由Ti62A打造的载人舱，成为“奋斗者”号潜入马里亚纳海沟万米深处的坚强“生命堡垒”。

实践之诚：扎进生产的土壤

在钛合金研究部，科研成果的终点，从来不只是鉴定会上的掌声，而是生产线上稳定、可靠的轰鸣声。研究部副主任徐磊对此感受深刻。他长期从事粉末冶金研究，主攻长征五号运载火箭氢泵叶轮的精密制造。

这种叶轮是火箭发动机“心脏中的心脏”，必须在接近绝对零度的-253℃的液氢环境中以每秒550米的速度旋转——比音速还快，对材料性能和制造精度要求达到了极致。更棘手的是，叶轮内部复杂的空腔流道无法进行机械加工，必须一次成形到位。

粉末冶金成形技术面临的一个巨大障碍是，材料经成形工艺后高达33%的尺寸收缩率，最终产品尺寸误差却要控制在0.1毫米内，也就是相当于3根头发丝的直径。

在解决理论瓶颈后，徐磊马不停蹄，带领课题组深入协作工厂，与工人师傅同吃同住，将实验室的“参数组合”转化为生产线上的“工艺文件”。他们曾经为了调试工艺，深夜进入车间待命，既能在产线停下的那一刻马上开始调试，也能减少对企业生产节奏的影响。

还有一次经历让他记忆犹新。2014年，他带着53支昂贵的钛合金样品前往检测单位。用户代表原本只要求随机检测2支，如果不合格，则需要翻倍复检。“结果一测，2支性能全部通过。”徐磊回忆，用户代表惊讶之余，提议把其他51支样品也都测了。最终检测结果显示，只有3支样品性能处于合格线边缘，其余全部优异。“材料确实很稳定。”徐磊说。

这份“稳定”背后，是无数次工艺优化和对生产细节的极致把控。

例如，团队将材料中的氧含量精准控制在900~1100ppm（百万分之一，10-6）的狭窄区间内——这是一个微妙平衡点，氧含量太低或太高都会影响材料性能。杨锐曾逗趣说：“氧是个坏分子，策反它就好了。”

团队的“实践之诚”还体现在装备自主创新上。

由于许多关键设备没有现成的“货架产品”，他们不得不自己动手研制。2006年，团队引进了国内第一台洁净制粉设备，价值千万元级别。但设备投入使用后，问题接踵而至。“当时一项指标采用激光法检测，但是会损伤材料。”徐磊回忆。

他们进而与所里分析检测部门的同事合作，对进口设备进行改造，并开发出适合自身需求的检测方法。“买来的进口设备测不了，我们就用‘土八路’方法改造。”

更大的挑战出现在2012年。团队发现制造过程中存在氩气泄漏问题，但当时缺乏有效的检测手段——氩气的检测峰与氮气重叠，难以区分。这个问题困扰了团队4年，直到2016年才彻底解决。

如今，团队不仅建立了完善的氩气检测方法和标准，还实现了所有产品的100%强制检测。“很多外部机构也来找我们检测。”徐磊不无自豪地说。这些自研设备和标准，已成为行业的重要参考。

这种深入生产一线的实践精神，让团队的科研成果真正接通地气。

他们带来的不仅是一个高性能合金配方，更是一整套基于深度理解的工艺“说明书”：从海绵钛熔炼的电流曲线，到锻压时的变形速率，再到热处理炉内热电偶的布点建议。团队坚持要把实验室里观察到的“为什么”——为什么这个温度下韧性最好，为什么那个变形量下组织最均匀——用最直白的语言和更丰富的图表，转化为工厂里的“怎么办”。

奉献之志：功成不必在我

材料研究，尤其是关乎国家重大装备的材料研究，往往意味着选择了一条漫长而寂寞的道路。一个合金体系从提出概念到成熟应用，10年是常事，20年也不罕见。在钛合金研究部，近30年如一日地坚守国家最急需、最基础的“硬骨头”领域，已成为一种集体追求。

70后研究员王玉敏是团队“元老”之一。他的故事颇具传奇色彩：大学毕业后当了5年高中物理老师，出于对科学研究的喜爱，1999年考上金属所研究生，成为杨锐的早期硕士生，研究方向是国内几乎空白的钛基复合材料。

“我来的时候，连设备都没有。”王玉敏回忆，“就坐在研究生工位上看了半年文献。”当时，钛基复合材料在国际上也只有少数国家掌握，国内还处于纤维研发的起步阶段。杨锐对他说：“你要耐得住寂寞，拿出东西很难。”

这一“耐”，就是20多年。王玉敏一边进行纤维研究，一边探索构件制造。虽然也曾有过徘徊，2005年博士毕业时，他已经取得了不错的研究成果，有其他单位伸出橄榄枝，承诺为家属解决工作，但犹豫之际他意识到，自己走了，这个方向的研究就要断了。

如今，他领导的课题组已有24名职工、14名研究生，建成了自主的批量生产线。

王玉敏最艰难的考验出现在2013年。在一项重大项目中，课题组需要研制高性能叶环。谁知，他们辛苦一年做出了两个叶环，检测时却发现内部的纤维全部断裂。“当天晚上我和课题组核心组的两位成员一起吃饭的时候，两个小伙子都哭了。”王玉敏回忆道。

通过深入分析，他们发现问题根源在于内径膨胀和外径屈曲的匹配。这次失败反而催生了新的技术思路。“所以我们现在做叶环是国内数一数二的水平。”

这种“奉献之志”，在团队中是代代相传的。研究部主任马英杰提到，团队目前应用的一项发动机高温钛合金材料技术，始于上世纪八十年代，由杨锐的导师开创，而“导师的导师去世很多年后，自主研发的高温钛合金才获得实际应用”。这种“功成不必在我”的胸怀，支撑着团队在长周期研究中坚守。

但团队成员都清楚，国家重大需求就是没有退路的使命。“我们生活在多样化的社会，也尊重青年科研人员以及研究生的个人选择。”马英杰在感慨科研使命时，特别提及团队精神的传承，“但我们希望90后、00后的科研人员能够认同这种理念，在国家重大任务中找到使命认同感。”

求真之执：敢立科学言

面对工程实践中的棘手难题，团队有一个重要法宝：不满足于经验试错，而是深入机理、探寻本质。

长征五号运载火箭氢氧发动机氢泵叶轮的研制初期，曾遇到巨大困难——采用传统精密铸造的叶轮在试验中爆裂，研制工作陷入停滞。美国航天飞机曾因类似部件攻关受阻，导致整个计划拖延3年。

但用户单位“等米下锅”，希望他们尽一切可能尽快攻克。

面对巨大的时间压力，团队没有盲目投入试错循环。“停一下。”杨锐叫停了可能漫无目的的尝试。他引导大家将目光从具体的工艺参数暂时移开，投向更本质的科学问题：“粉末颗粒在高温高压下，究竟是怎么运动、怎么致密化的？这个过程，能不能用数学语言描述清楚？”

方向就此扭转。团队组织理论功底深厚的青年骨干，与计算模拟专家协作，开始构建粉末致密化过程的多尺度模型。这是一段更为抽象和枯燥的征程，屏幕上不再是具体的零件，而是流动的颗粒群、演化的温度场和应力场。

有人曾觉得这“不接地气”，但杨锐异常坚持：“只有看清了内在的‘理’，才能找到控制‘工’的钥匙。”

模型的建立与修正耗费了大量心血。团队需要将复杂的物理过程转化为数学模型，再通过实验数据不断校准。当模型终于能够较为准确地预测叶轮变形趋势时，之前的迷雾豁然开朗。

团队从盲目地“试”，转变为有目的地“调”。他们根据模型预测，有针对性地调整工艺参数，观察实际结果与预测的差异，再反馈修正模型。最终攻关成功的路径，与最初的模拟预测曲线惊人地吻合。

凭借这条以理论计算引领的“新路”，团队仅用一年就攻克了关键技术，18个月即提供合格产品，不仅确保了发动机进度，更实现了制造精度比国际产品提升一倍，氢泵效率也从国外的75.0%提升至76.5%，彻底解决了这一“卡脖子”难题。

对“理”的执着，已成为团队的科研文化。

1969年，金属研究所参与的“两弹”攻关任务结束，部分人员根据李薰所长部署开始钛合金研究，几代科研人员薪火相传，钛合金研究团队从早期不到10人的研究小组，发展成为现今200余人的“国家队”。这支队伍入选了科技部重点领域创新团队，面向国家重大需求，形成了7个创新研究方向并行发展的格局。

从万米深海到寰宇太空，从火箭心脏到大国翼骨，团队的研究成果如繁星般点缀在国家科技崛起的宏伟画卷上。“钛魂”不是口号，而是熔炼在每一次实验、每一份数据、每一道工序中的行动准则。

今天，钛合金团队的目光已投向更远的未来。新一代耐高温钛基材料的初步数据正在演算，目标是挑战1200℃的极限，支撑未来更高速度的飞行梦想。