高仲泰
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所（以下簡(jiǎn)稱“金屬所”）所長(zhǎng)兼鈦合金研究部主任楊銳，帶領(lǐng)研究員雷家峰、馬英杰等人接受了研制新型鈦合金的重任。楊銳1980年考入武漢水利電力學(xué)院機(jī)械工程系學(xué)習(xí)，1987年從研究所碩士畢業(yè)，1992年獲得英國(guó)劍橋大學(xué)博士學(xué)位，1995年回國(guó)后任研究所研究員。楊銳是一位很有想法也很有勇氣的科學(xué)家，在多功能鈦合金研究方面卓有成績(jī)。雷家峰從事金屬材料科研已有20多年。他于1987年考入東北工學(xué)院物理系應(yīng)用物理專業(yè)學(xué)習(xí)，1994年考入金屬所讀博士，畢業(yè)后留在鈦合金研究部工作，現(xiàn)任研究部主任。
要完成萬米載人潛水器這個(gè)項(xiàng)目，楊銳團(tuán)隊(duì)必須先把材料問題解決掉，這是不能回避也不能推卻的硬任務(wù)。鑒于種種原因，葉聰考慮的不是用其他材料來替代鈦合金，而是對(duì)鈦合金進(jìn)行改良，載人球殼還得用鈦合金。從材料科學(xué)的理論方面來看，強(qiáng)度和韌性兼?zhèn)涫莻€(gè)方向，但兩者的兼容性問題不好解決。
通俗地說，軟和硬是一對(duì)矛盾。很軟，但韌性很強(qiáng)，延展性無與倫比，可以打造得如薄翼一般薄，比頭發(fā)絲還要細(xì)。鈦合金的強(qiáng)度和韌性都相對(duì)理想。但“蛟龍”號(hào)和“深海勇士”號(hào)用過的Ti64在強(qiáng)度方面還欠缺一點(diǎn)。新材料的強(qiáng)度要有所提高，韌性至少要和Ti64相當(dāng)。
整個(gè)“奮斗者”號(hào)研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過苦苦探索和研究發(fā)現(xiàn)，只有Ti2222這個(gè)類型的鈦合金符合條件。這是20世紀(jì)末研制成功的一種航空用鈦合金，是Ti64的升級(jí)版，強(qiáng)度比Ti64高了一個(gè)等級(jí)，應(yīng)該可以作為“奮斗者”號(hào)的外殼用材。
但這種鈦合金有個(gè)致命的弱點(diǎn)，那就是可焊性不好，尤其對(duì)于載人潛水器球艙而言更是如此，因?yàn)楹附用嫣窳恕：附邮潜仨毥?jīng)過的一道工序，沒有人能壓出一個(gè)不焊接的完整球艙。兩個(gè)半球的焊接已經(jīng)大幅度地減少了焊接面，相對(duì)于俄羅斯那種西瓜瓣式的焊接方式，可以說是微創(chuàng)手術(shù)。但即便是微創(chuàng)手術(shù)，焊接如此厚度的一個(gè)球殼，也很難保證退火后球體不變形。球體一旦出現(xiàn)變形，就降低了球體的圓度，這個(gè)球體就廢掉了。
鈦合金材料存在“尺寸效應(yīng)”，即尺寸和厚度越大，均勻性和力學(xué)性能的穩(wěn)定性越難以保證。而這又是深海極端高壓環(huán)境下的應(yīng)用必須跨越的障礙。
美國(guó)科學(xué)家曾經(jīng)研究過這個(gè)問題，找到了Ti2222可焊性差的原因：這種鈦合金在退火時(shí)會(huì)在晶粒內(nèi)部形成某種成分。楊銳的一個(gè)學(xué)生在日本國(guó)立材料研究所從事金屬研究，這位學(xué)生很有鉆研精神。他通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果在鈦合金中加入一點(diǎn)貴金屬，材料的可塑性就會(huì)奇跡般地得到提升。另外，楊銳自己在幫助英國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司研制鈦合金葉片時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種葉片的一種合金里可能含有金屬元素鉬。
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)的一位成員在一篇公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，發(fā)現(xiàn)一位外國(guó)科學(xué)家談到了類似的問題。楊銳、雷家峰等人進(jìn)一步確認(rèn)，只要去除材料里的一個(gè)“有害相”，即可找到突破口。
綜合種種，楊銳團(tuán)隊(duì)最后得出一個(gè)結(jié)論：在Ti2222中加入適當(dāng)?shù)慕饘兮Z和金屬鉬，或者類似的元素，有可能會(huì)增加期待的某種成分的含量。經(jīng)過研究，他們終于拿出了新方案：將海綿鈦和、釩等混合在一起，通過大功率壓力裝置，壓制成鈦合金的電極，然后放在熔煉爐里面，經(jīng)過多次真空熔煉，煉成符合條件的鈦合金鑄錠。他們將其命名為“Ti62A”，這種經(jīng)過改良的鈦合金Ti62A滿足了強(qiáng)度和韌性的要求，可焊性大大得到了提高。金屬所一舉攻克了這個(gè)難題。
不過，材料問題解決了還不行，如何壓成兩個(gè)半球并焊接成整體，成為第二只“攔路虎”。這個(gè)問題不僅與金屬所有關(guān)，而且與企業(yè)的生產(chǎn)工藝有關(guān)。
