蒋少松：为航天材料“瘦身塑形”

文/胡月

全球科技竞争日趋白热化的今天,最能体现和检验一国制造工艺和水平的航空航天材料研发已进入“克克计较”的时代。

有一句广为流传的话:“卫星重量减少一克,等于节约了一克黄金!”这意味着轻量化整体构件成形技术在航空装备制造中的地位和作用越来越突出。

中国正在从制造大国迈向制造强国,针对航空航天领域新材料减重的迫切需求,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院研究员蒋少松致力于开展新型超轻及轻合金超塑性变形理论研究,在轻量化结构超塑成形/连接一体化协调变形机理研究等方面收获了诸多创新成就。

新材料研发遇到“拦路虎”

1920年,金属的超塑性被法国人罗森汉发现,Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时可以弯曲近180°而不出现裂纹,与普通晶体材料大不相同。40多年后,他在一篇具有划时代意义的文章《Zn-Al合金超塑性》中写道:“没有什么比能够将聚合物和玻璃成形技术应用到金属中进行成形而更使人惊叹的事情了。”

100年后的今天,超塑成形技术最广泛的应用,是与扩散连接技术组合而成的超塑成形/扩散连接(SPF/DB)组合工艺技术——利用金属材料在一个温度区间内兼具超塑性与扩散连接性的特点,一次成形出带有空间夹层结构的整体构件。

据蒋少松介绍,我国从20世纪70年代开始进行SPF/DB的基础性研究,先后开展典型结构件研制、模具选材实验、性能测试、质量控制和检测等研究工作,在国内开展超塑成形工艺研究和应用的单位主要包括北京航空制造工程研究所、哈尔滨工业大学、西北工业大学等。

“经过近50年的努力,我国SPF/DB的运用达到了一定的规模,使用超塑成形/扩散连接构件越来越多,构件的尺寸也越来越大,构件的结构也从单层、两层到复杂的三层、四层、五层结构等。尤其在航空航天领域得到广泛应用,获得良好的技术经济效益。”

但是,随着我国航空航天技术的深入发展,新一代高新装备进一步提高马赫数和增加飞行距离,在耐高温轻质材料与轻量化结构的双重减重方面提出了更高要求。

在此背景下,以O相为基的新型Ti2AlNb合金在航空航天领域受到广泛重视,因其不仅具有优良的高温性能,可在700℃～800℃范围内长时间使用,而且密度远低于镍基高温合金,是高温合金和钛合金较为理想的替代材料,已成为目前最具潜力的航空航天高温结构材料之一。

“但目前Ti2AlNb合金的难成形性和变形协调性差等问题导致传统制造方法难以满足薄壁复杂构件成形要求,限制了Ti2AlNb合金的广泛应用。”科研路上,这只“拦路虎”遇到了蒋少松。

自主开发材料减重30%

遇到难题,蒋少松是从来不退缩的,他申请到了国家自然科学基金面上项目“电流辅助Ti2AlNb合金多位加载柔性介质拉/胀复合超塑变形机制及电致多重效应研究”,开展相应研究。

蒋少松提出的电流辅助Ti2AlNb合金多位加载柔性介质拉/胀复合超塑成形技术,是一种可以控制板材变形顺序,法/切向力共同作用下的快速超塑成形新方法。

通过电流的“焦耳热效应”和“电致多重效应”促进Ti2AlNb合金超塑性变形能力,通过固体柔性介质与板料间的摩擦特性在胀形基础上增加拉深变形(补料行为),并采用多位加载控制变形顺序(避免“愈薄愈变”现象),从而提高超塑变形速度和组织性能,属于材料性能提高和成形技术优化的双重创新。

除此之外,蒋少松还对Ti2A1Nb镂空结构展开了相应的研究,首次提出采用预制排列空位超塑成形的方法制造平面和曲面镂空结构。“现有塑性成形坯料均为完整板材或管材,所以这次采用预制空位板材进行复杂型面塑性成形,是一种新的塑性成形理念。我们引入的电流进行镂空结构高效率制造也是全新的方法,可突破金属间化合物薄壁复杂构件的难加工瓶颈,可解决难变形材料成形性能与使用性能的倒置问题。”蒋少松解释道。

值得一提的是,蒋少松的不少研究成果已在我国关键型号主要结构件成形中获得应用。他自主开发的新型超塑成形/激光连接一体化协调变形技术,实现部件减重30%。

蒋少松自主开发的另一项超塑成形随温随动金双层中空结构一体化成形技术已成功应用于某先进飞行器。有了这些实际落地的研究成果,蒋少松有信心在新型超轻及轻合金超塑性变形理论研究方向上做得更好,走得更远。

2020年,蒋少松申请的“基于预制空位的Ti2AlNb镂空结构电流辅助超塑变形机制研究”获得黑龙江省自然科学基金“杰出青年”项目。他又带领团队将目光聚焦于高温钛合金、高强铝合金、耐热高强镁合金复杂薄壁中空轻量化结构成形的相关研究与利用。

点燃学生的科研热情

在培养科研新人方面,蒋少松也有他的使命感和责任感。身为哈尔滨工业大学的博士生导师,面对学生时,他首先输送给学生的理念是,一定要在本科时期找到兴趣和热爱,“大学不是把瓶子塞满,而是把火焰点燃,就是说大学并不是教学生用知识把瓶子塞满,而是让学生点燃对学术的热情。”

“大学的时候必须拼尽全力地去努力,知道自己的天花板在什么地方,如果能取得好的成绩,就可以建立起学习的自信,这很重要。”蒋少松认为,人如果没有自信,就很难有自我,就找不到最合适的研究方向,会走许多的弯路。

蒋少松会主动让学生参与到工艺设计中,即使研究过程中可能会造成浪费甚至重复,他都会不遗余力地鼓励学生动手设计。“我会给学生提供一个方向,希望他能够凭借自己的努力完成我的任务,即便只做到60分,我也觉得挺好的,因为他的独立思考能力开始萌芽了。”蒋少松认为,完成项目很重要,但是作为博士生导师,他更加注重学生自身的成长。

除了培育新人,在科研方面蒋少松一刻也没放松,目前他正在与国防企业开展密切的合作,开发了许多航空航天相关的产品,蒋少松说“做对国家有用的研究,研发对人民有用的产品,这是我做科研最大的意义。”

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蒋少松   哈尔滨工业大学教授,博士生导师,黑龙江省杰出青年基金获得者。兼任中国塑性工程学会微米纳米材料成形技术学术委员会委员。中国塑性工程学会超塑成形技术学术委员会委员。北京市企业技术中心外部专家,国家企业技术中心外部专家。中国航天科工集团北京航星机器制造有限公司、国家重点研发计划项目特聘专家,国家自然科学基金项目、中国博士后基金项目通讯评议专家,锻压手册(第四版)编委会委员(秘书),塑性成形技术路线图编委会委员,《Materials & Design》等十几个国际期刊审稿人。

主要从事先进材料超塑成形研究,在超塑成形工艺,数值模拟,SPF/DB,组织控制,精度控制,性能优化等当面取得了多项成果,所成形材料包括钛合金,高温合金,铝合金,镁合金,金属间化合物,金属基复合材料,陶瓷材料等。主持国家自然科学基金项目3项,总装预研1项,国防基础科研2项,国防科工局其它纵向计划1项,国防重点实验室基金项目1项,国家重大专项04专项2项,其余科研项目若干。与航天领域各大院所合作密切,在国防项目上进行了多种型号的研发与生产。2022年获黑龙江省科技进步一等奖1项,此外还先后获得黑龙江省杰出青年基金1项、黑龙江科学技术进步奖二等奖1项。发表论文70余篇,其中SCI论文32篇,获得授权专利40项,其中16项为第一作者。在第一届中国新材料产业发展大会“轻合金材料论坛”并做特邀报告,参编英文专著《Comprehensive Materials Processing》中的超塑性成形部分,在超塑成形方面提高了国际交流能力,增强了本学科的国际影响力。现已培养硕士研究生、博士研究生多名,其中2名硕士获得“优秀硕士研究生”,1名博士研究生获得“国家奖学金”。