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第30章 赵振业 材料科学家超高强度钢专家

赵振业(1937.11—),河南原阳人,材料科学家、超高强度钢专家,中国工程院院士。1961年毕业于西北工业大学金属学及热处理专业,被分配到北京航空材料研究所从事航空超高强度钢应用基础理论、合金设计和应用技术研究至今。曾担任北京航空材料研究所科技处处长,现为研究员,博士生导师。主持研制成功中国第一个航空中温超高强度钢38Cr2Mo2VA,研制成功中国第一个12%Cr型马氏体热强不锈钢GX-8。主持研制成功超高强度钢300M,提出“无应力集中”抗疲劳概念,建立抗疲劳应用技术体系,用其制造的起落架疲劳寿命达到6000飞行小时未失效,达到并超过国外5000飞行小时最高规定寿命。率先将不锈钢、齿轮轴承钢提升到超高强度高韧性水平。研究成果和发明广泛应用于十多种先进型号飞机和发动机。2005年当选为中国工程院院士。

1961年秋天,赵振业从西北工业大学毕业来到北京航空材料研究所,从事高强度及超高强度钢研究。师从李文澜先生,研制12%Cr型马氏体热强不锈钢GX-8,参与成分设计、试验研究,跟产解决问题,直到1973年涡桨6发动机完成鉴定。1978年“GX-8马氏体热强不锈钢航空发动机压气机叶片、盘”获得全国科学大会奖状,1985年,GX-8热强不锈钢获国家发明四等奖,赵振业为第二发明人。如今,近千台发动机服役,无一故障。

1975年,赵振业转而去主持中温超高强度钢GC-19研究。在系统探索研究二次硬化和强韧化机理的基础上,巧妙地利用钼(Mo)元素的强二次硬化效应,少量铬(Cr)元素与Mo配伍,既能调整钢的韧性,还可调整钢的回火曲线,将该类钢从中合金体系降为低合金体系,实现了合金设计的重大突破。GC-19(38Cr2Mo2VA)钢不仅达到了1800MPa超高强度,综合力学性能良好,优于美国使用的H11钢,耐温高达500℃。为解决普遍存在的后机身超温超重问题提供了一种新材料,首次将后机身主承力框用材料提高到超高强度。1988年,获国家发明三等奖,赵振业为第一发明人。自1985年用于歼7飞机以来无一故障。

从1995年起,赵振业探索研究高合金超高强度钢强韧化机理,获得航空基础科学基金成果一等奖。

1989年,赵振业提出并与西北工业大学共同研制成功我国第一台残余奥氏体动态测量仪,为超高强度钢强韧化机理和服役行为研究提供了新型设备和方法。1996年获国家发明四等奖,赵振业为第五发明人。

1993年,超高强度钢Aermet100评为美国大奖,并用做F-22飞机和F-18舰载机起落架。赵振业认为,用Aermet100做舰载机起落架并非理想方案,提出超高强度不锈钢起落架材料预研建议,并致力于强韧化机理和合金设计研究。实验室研究的Fe-13Cr-12Co-5Mo-Me钢,抗拉强度达到1865MPa,断裂韧性K1c119MPa·m1/2,首次把不锈钢提升到超高强度高韧性。还研究了一种Fe-14Cr-12Co-Mo-Nb-Me不锈齿轮轴承钢,抗拉强度达到1850MPa,断裂韧性K1c120MPa·m1/2,首次将齿轮轴承钢提升到超高强度高韧性;同时研究的表面超硬韧化热处理技术,使表面硬度达到72HRC,500℃下仍保持63.5HRC。以上研究双双获得国家发明专利。

40多年中,赵振业的发明、创新研究成果构建了我国航空超高强度钢的总体构架。

起落架是飞机最重要的承力构件,国外起落架与飞机同寿命,我国歼8飞机起落架要求3000飞行小时。但1965—1990年的20多年中,多次疲劳试验均未达到规定指标。1979年航空工业部科技局立项研究超高强度钢300M,由北京航空材料研究所任组长单位。1983年10月,赵振业接手主持研究。他查阅资料,了解国内外起落架技术状况,分析国内起落架故障频发的原因,制定研究大纲。经重新论证后,《飞机起落架用新型超高强度钢300M应用研究》课题列为国防科工委预研重点项目。

300M是世界上强度最高、纯度最高、综合性能最好、应用最广的起落架用超高强度钢,采用VIM+VAR双真空熔炼,国内冶金技术与美国宇航材料标准中技术要求差距较大。针对这一现状,赵振业提出“提纯原材料,降低硫含量”和“镦-拔开坯”工艺路线建议,经抚顺钢厂创新“提纯原材料”等工艺,于1984年做到一次达到美国标准,1985年多次熔炼全部合格,开创了一条自主发展航空超高强度钢之路。

起落架用300M钢制造是因为它具有超高强度,σb≥1860MPa,很高的固有(应力集中系数Kt=1)疲劳强度σf1165MPa,可做到体积小、重量轻、寿命长、使用可靠。但它疲劳强度对应力集中敏感,如Kt=3时,σf降低约50%;Kt=5时,σf降低约80%,如不解决,难以满足起落架的使用要求。为此,赵振业又提出一个与传统不同的新思路,发展材料应用科学技术,设计长寿命起落架总体技术与实施方案,开展300M钢的应用研究。

赵振业与各分课题组一起创新多种先进工艺技术,建立了抗疲劳应用技术体系:包括热加工技术体系;表面完整性机械加工技术体系;表面层组织再造改性技术体系;表面完整复合防护技术体系;低应力集中细节设计技术体系等。用于国产300M钢制造歼8Ⅱ飞机主起落架(全部构件),做到一次成功达到长寿命:疲劳试验3000飞行小时未失效;5000飞行小时未失效;增加载荷30%,继续试至6000飞行小时仍未失效,超过美国F-15、F-16飞机起落架5000飞行小时世界最高规定寿命,开拓了一条长寿命起落架技术道路。该项成果1992年获国家技术进步一等奖,赵振业名列第一。如今已广范应用于十多种先进型号飞机,从1991年空军飞行使用至今无一故障。

赵振业带领他的团队花了13年时间研制成功的300M钢长寿命飞机起落架,可谓自主创新、跨越发展的典范。其成功的奥秘在于他研究并提出了一种“无应力集中”抗疲劳概念,即不同应力集中构件具有无应力集中时材料固有疲劳强度。这一理论引导人们从“应力集中”认识疲劳问题,从降低“应力集中”解决疲劳问题。这一理论为300M钢起落架所验证。

赵振业一直致力于自主创新,研究抗疲劳制造理论和技术,并置身于推广应用之中。他发表文章和讲演,提升对抗疲劳制造这一基础制造技术、核心制造技术、“瓶颈”技术的认识。面对金融风暴对我国国民经济和机械制造业的冲击,赵振业与两院院士师昌绪先生等10位院士一起提出《发展抗疲劳制造,提升我国机械制造核心竞争能力》的建议。这一建议由中国工程院上报国务院,立即得到温家宝总理、刘延东国务委员的重视和批示。作为建议的实施,赵振业主持中国工程院咨询项目《抗疲劳制造与长寿命关键基础构件研究发展》,组织6个高技术制造行业,9类关键基础构件,11种基础制造技术共18个专项,几百位专家论证,已由中国工程院上报国务院建议立项研究,以求加快转变机械制造发展方式,从制造大国到达制造强国。

赵振业是国家级有突出贡献专家,享受国务院特殊津贴。1991年荣立航空航天工业部一等功,1992年获航空航天工业部劳动模范,1993年获首都劳动奖章,1996年获国防科工委国防科技预先研究管理先进工作者,2006年获航空报国突出贡献奖。曾荣获国家科技进步一等奖、国家发明三等奖等国家级成果奖5项,发明专利2项,部级科技成果奖6项,发表学术论文60余篇,出版《合金钢设计》专著1部。

赵振业2005年当选中国工程院院士。

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