啃下多少硬骨头 才能成为“奋斗者”

 
万米载人深潜的背后  
啃下多少硬骨头 才能成为“奋斗者”  
 

“奋斗者”号载人舱完成电子束焊接 中科院金属研究所供图

“杨锐他们啊，啃的都是硬骨头。”这是研究所同事给杨锐团队的评价。

“上九天揽月，下五洋捉鳖”可以概括中科院金属研究所（以下简称“金属所”）研究员杨锐啃过的硬骨头。航空发动机、长征五号运载火箭、“奋斗者”号万米深潜器……他们都提供过关键材料。

从“天空”到“海底”是在9年前。当时，中国要向海底深渊进军，金属所开始参与关键部件载人舱的研制。

2020年11月，采用国产原创技术和材料建造的钛合金载人球舱交出满意答卷，“奋斗者”号在马里亚纳海沟创造了10909米的中国载人深潜新纪录，使我国成为世界上第二个实现万米载人深潜的国家。

回忆这9年的探索过程，杨锐说：“跌宕起伏、有惊无险。”

立军令状

得知要建造搭载3人的万米深海潜水器，杨锐心里有点打鼓。

下潜万米，载人舱需要耐受110兆帕水压，相当2000头非洲象踩在成年人背上。此前成功的万米载人舱搭载2人已是极限，要超越极限，杨锐清楚，只能依靠核心技术的重大突破。而且，金属所钛合金研究部的工作多集中在航空航天领域，很少涉及海洋，这项工作又“前无古人”，没有多少国际经验可供借鉴。

为了给万米深潜作准备，中国科学院先行上马了海斗深渊前沿科技问题研究与攻关先导专项。首席科学家丁抗曾说，载人舱是万米载人深潜最大的“拦路虎”，如果能突破的话，经过大家努力，必能把我国的深潜事业推向一个新的高度。这话令杨锐印象深刻。

2013年的一次论证会上，主持会议的领导说：“载人舱是成败的关键。杨锐你说说，能不能做出来？”

这一问，杨锐没有立刻回答。

当时，他和金属所钛合金研究部副主任雷家峰、青年骨干马英杰一起搞过几次头脑风暴，做了一些准备工作，但要“在起点上拍胸脯实在缺乏底气”。

三五秒内，种种情形在杨锐脑中闪过，最终，他抬头回答：“只要立项，保证能干出来。”

后来，项目成功立项，完成时间却从“十四五”提前到“十三五”。杨锐等人依据交付时间倒排进度，发现没有任何回旋余地。

“当务之急是尽快确定优化的合金成分，为后续工程化研究争取时间。”杨锐当机立断，做出判断：不可能一轮又一轮反复试错，必须尽快找到一个指导原则。

拿下Ti62A

强度和韧性是金属的一对矛盾属性，也就是说，坚硬的金属往往较“脆”，可塑性差，韧性高则皮实、安全。近30年来，世界上几乎所有深潜器的载人舱都采用Ti64合金制造，正是看中了Ti64能在中等强度下保持高韧性。

但要建造承受万米深度海水压力的3人球舱，无论怎么计算，都超出了Ti64的极限。摆在团队面前的只有一条路：放弃数据齐全、经验丰富的Ti64，研制新型钛合金。

“这是制造载人舱的最大技术挑战。”杨锐告诉《中国科学报》。

团队很快将目光锁定与Ti64韧性相当的Ti62222。

这一合金的设计初衷是取代Ti64，美国上世纪八十年代提出之后曾风靡一时，但由于存在技术缺陷，后来不了了之。金属所钛合金研究部早在“十一五”期间就研究分析过Ti62222的不足，有不错的研究基础。

2014年春节假期，杨锐“闲来无事”，读遍了能找到的所有相关文献。突然，一篇曾经读过的论文引起他的注意。上世纪九十年代，美国学者研究发现，引起合金脆性的欧米伽相结构并不完美。杨锐琢磨发现，这个相越不完美，造成的危害越小。

这让他醍醐灌顶：也许可以找到一种“神药”，通过合金设计改造欧米伽相，从而使这个恶性肿瘤变成良性。

他联想到另外两项工作，分别是同日本国立材料研究机构和英国罗罗公司合作研究的钛-铌-钯和钛-铌-钼合金，都是在常见的铌元素之外添加了说不清道不明的其他元素，却意外提高了韧性。而钯和钼在元素周期表中的位置都在钛的右方。

杨锐立刻找到同事胡青苗研究员说明这一想法，后者放弃休假回到实验室，通过理论计算证实，钼和此前分析过的钯一样，都能降低欧米伽相的稳定，从而提高韧性。

由此，新型合金设计的主要思路逐渐清晰：回避元素周期表中处于钛下方的难熔金属元素，酌量增加其右方的元素，实现强度和韧性的最佳配比。

说起来容易，要做到“恰到好处”却极其困难。“金属材料的强度和韧性通常呈倒置关系，要同时提高，难于上青天。”杨锐说。