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第11章 带着钢走的人(1)

学 步

1962年,我国引进了米格-21战斗机,又称62式。米格-21是苏联米高扬设计局研制的轻型超声速歼击机,1953年开始研制, 1958年开始装备部队,是20世纪60年代苏联空军的主力飞机。中国于60年代开始研制歼7。因中苏关系恶化,在歼7发展的关键时刻,苏联撤走了全部专家,并且带走了几乎所有的技术资料。中国的设计师们克服困难,根据苏联专家留下的少得可怜的资料,从零开始,一步一个脚印,于1966年1月17日由试飞员葛文墉驾驶,将第一架歼7送上了蓝天,飞行速度达到了马赫数2.02。最初,歼7的生产并不顺利,直到80年代初期,歼7的生产才逐渐完善。改进型号十分丰富,曾向多个国家出口。

1965年4月,我国决定在米格-21的基础上自行设计新机。当时提出了两种方案,一种是单发方案,另一种是双发方案。双发方案装两台歼7现有的发动机,单发方案是采用沈阳606所设计的910新发动机。双发飞机编号歼8,单发飞机编号歼9。

62式飞机发动机压气机的主要部件如盘、转子叶片、整流叶片等,原设计采用苏联ЭИ961不锈钢制造。对此,621所曾以GX-6代号进行过研究,发现它在淬火后经560℃回火,可获得优良的强度及韧性。但强度偏低,而且只能在500℃以下使用。因此,1962年621所决定研究一种使用强度更高的热稳定不锈钢,抗拉强度高于120千克力?[1]/毫米 2,冲击值大于7千克力·米/厘米 2,热强性优于ЭИ961,其他性能与之相当,用于62式或新设计的发动机。牌号为GX-8(1Cr12Ni2WMoVNbA)。由于这是米格-21飞机国产化的关键材料,因而这一课题被列为六院重点。李文澜、赵振业参加了这个课题组。

赵振业初步了解到,新钢种的研究程序与他毕业论文研究高强度钢基本相同。但一开始合金成分设计,赵振业马上感到自己专业知识的不足,他跑遍北京新华书店,仍买不到想要的专业书,就马上写信请在上海工作的同学于泰武帮忙,买了一本乌曼斯基的《金属学物理基础》,如饥似渴地学了起来。同时,他又重温了基础专业知识,学习合金化理论,并开始查找有关12%Cr型热强钢的研究资料,由于俄文、英文水平有限,便翻着字典阅读资料。为查阅日文资料,又上了业余日语学习班,一年下来,赵振业对新钢种的研究方向有了初步的认识。

12%Cr型马氏体热强不锈钢是研究最早的一类高强度不锈钢,广泛用作汽轮机叶片、转轴等构件。由于其组织为马氏体,有磁性,因此在地磁场中转动时有天然的阻尼、消震效果。汽轮机使用寿命高达10万小时,甚至100万小时以上,对组织稳定性要求很高。因此,世界工业发达国家对其使用温度及添加合金元素进行了广泛研究。比如,日本就添加元素硼、氮、硼+氮等后对其650℃以下的性能数据就有大量报道。

随着航空喷气发动机的发展,12%Cr型马氏体热强不锈钢被用来制造压气机叶片、盘等构件,研究最早、最多的是英国。由于航空发动机使用时间短,重量?[2]要求严格,因此,合金成分设计要求有新思路,采用的合金元素也要有很大变化。总体看,压气机叶片、盘用12%Cr型马氏体热强不锈钢有两种设计思路:一种是英国的,他们更注重热强性,合金中多添加钨、钼、钒、铌等元素,斯贝发动机上大量采用;另一种是苏联的,他们更注重冲击韧性,所以合金中除钨、钼、钒外,还添加了镍元素。镍可以提高马氏体的本征韧性,因此,ЭИ961钢是成功的代表,在航空发动机上应用广泛。

李文澜在GX-6钢研制中,曾对ЭИ961中碳、铬、镍、钨、钼、钒等元素热处理和力学性能做了研究。但该钢经1150℃淬火560℃回火后,抗拉强度总是低于120千克力/毫米2.

GX-8钢成分研究基本上是在ЭИ961钢基础上进行的。合金设计思路兼顾了ЭИ961和英国的重热强性。所以,钢中除添加镍元素外,又添加了铌元素。由于研究中发现钼元素对提高冲击韧性更有效,所以设计出来的GX-8钢兼有超过120千克力/毫米 2的高强度、高冲击韧性和热强性,使用温度可达550℃。综合性能比国外所有的钢种都好。

在课题组分工中,赵振业侧重于成分试验。从成分设计、熔炼、锻造成材到热处理和力学性能等,他经历了全过程。经过一年多试验研究,钢的成分上、下限和成分基本确定,并开始做实验室合金全面性能研究。

在实验室研究时,赵振业循着工艺流程学习相关技术、方法和知识。在GX-8钢的试验研究中,热处理是以工艺单委托热处理车间进行的。但是,每次热处理赵振业都要带上热电偶-电子电位计到现场,并和工人师傅一起装炉,把热电偶放在试样中间测温,以准确实测温度对试验数据进行分析。这一习惯一直持续到他离开试验一线。

1964年,六院组织了实验室阶段的总结鉴定。通过鉴定之后,一是上报国防科委,二是到抚顺钢厂进行工业性试制。

1966年,我国自行设计的910发动机选用GX-8钢,制造1~10级高压压气机转子叶片、盘和整流叶片等零件。在抚顺钢厂、北满钢厂、大冶钢厂、马鞍山钢厂开始生产GX-8钢,并在331厂制造发动机。赵振业从钢厂炼钢,到331厂零件试制全程跟产。学习电弧炉、电渣熔炼、轧制成材、冷轧薄板制备等技术,并解决生产过程中遇到的问题。在钢厂跟产,无论白天黑夜,他一定全程在炉前长见识。1968年,抚顺钢厂生产的电渣GX-8钢冲击韧性不合格,不能交货。赵振业前去解决。他一住就是3个月,与工人一起做热处理与力学性能试验,找原因,调查了所有熔炼炉号原始记录,最后认定是因熔炼速度过快造成的。后将熔速从约400千克/时降至约250千克/时,冲击韧性达到标准要求,正常交货。抚顺钢厂研究所的同志对他说:“你比我们还上心!”在试制GX-8钢的几年中,赵振业经常是在钢厂跟产中度过的。

在331厂跟产时,赵振业随着构件制造的工艺流程,逐件、逐工序地见习了相关制造技术,并懂得了许多知识。了解零件每一工序的加工情况,解决有关问题。由于实验室对切削加工工艺研究少,因此需要解决的问题比较多,如榫槽加工、表面粗糙度及润滑等。

910发动机试制时,设计、材料、制造工艺人员一同跟产,共同解决生产中出现的各种问题。在331厂跟产发动机试制中,可以十分明显地感觉到三机部一些领导不恰当地对待六院,进而不恰当地对待发动机研制。当时,331厂属三机部管,研究院(所)属空军管。两家领导都过问发动机试制,每当空军副司令员曹里怀与湖南军区司令员黎原一起到331厂视察,331厂总会布置加班加点抢进度,并且在大礼堂召开大会鼓励试制工作,而三机部领导一来视察,331厂总会停下来加工其他产品,还会传出发动机设计如何不好等言论。一次,曹里怀到331厂视察,站到试车台前看发动机试车,加到95%推力未出问题,很高兴,还设午宴庆贺,饭后离去。但当下午发动机再次开车将推力加至96%时,一声巨响,发动机突然爆裂。自此,该发动机寿终正寝。

天真纯朴的赵振业在想,哲人不是说“失败是成功之母”吗,科学研究是允许失败的呀,怎么一次试验失败就判新设计的发动机死刑呢,不可以查找原因继续研制吗?一个个为什么在他脑子里闪现。但作为一个年轻技术员,除了看在眼里,记在心上,他还能做什么呢?如今想来,不能不说那是导致发动机成为航空工业发展的“瓶颈”和制约因素的重要原因。

值得庆幸的是,事后解剖下来看到压气机变形了,叶片弯成各种形状,但无断裂,表明GX-8钢是好的。

新设计的910发动机试制结束了。恰好,三机部要引进苏联安-12飞机(国内编号运8),发动机代号为涡桨六(WJ-6)。涡桨六发动机的高压压气机也是10级,用ДИ-1ш不锈钢制造。鉴于331厂对GX-8钢的各项工艺已经熟悉, 910发动机试制中又证明GX-8钢性能优良,于是决定用GX-8代替原ДИ-1ш不锈钢。

GX-8钢新一轮应用又开始了,赵振业继续跟产。

涡桨六发动机应用中与910发动机不同的是将整流静子叶片改成冷轧成形工艺。冷轧叶片工艺是331厂发明的,用冷轧薄板作原材料,经过冷轧机多次反复滚轧叶片成形,切边后即可使用,简化了锻坯-机械加工叶片工艺。但是,由于GX-8钢是一种空气中冷却淬硬钢,冷轧薄板硬度较高,轧制力大,成形困难。赵振业来到生产现场,根据变形-再结晶的基本原理,告诉轧制的技术员和工人师傅,GX-8钢第一次轧制是会比较硬,但会越轧越“软”,并给出轧制退火工艺。退火后的冷轧叶片果然如赵振业所料,并最终装机使用。

涡桨六发动机压气机转子叶片、盘(共10级)均采用GX-8不锈钢制造加工。经2000小时长期试车,获得了较为满意的结果。从1973年通过航定委鉴定至今,累计生产出厂发动机共700多台,其中压气机叶片(428片/台)约30万片、压气机盘(10件/台) 7000余件。

自1995年起,发动机已延寿至5000小时,在军、民服役中未出现故障。

赵振业在“文革动乱”、极“左”横行的年代里,为GX-8研制和在910、涡桨六发动机及运10飞机应用成功默默工作了15年。

1978年3月18日,全国科学大会隆重开幕,迎来了科学的春天。时任副总理的邓小平在大会开幕式上提出了“科学技术是生产力”“知识分子是工人阶级一部分”等著名论断,令人荡气回肠。那天,与会的5000多名中国科技界精英大都泪满衣襟。

这是中国科技事业发展史上一个由乱到治、由衰到兴的“拐点”。

执政党首次把反映人与自然关系的科学技术,同作为经济社会发展现实基础的生产力紧密联系在一起,从而对当代中国科技事业产生了“怎么估计都不会过分”的影响。

在这次全国科学大会上,“GX-8马氏体热强不锈钢航空发动机压气机叶片、盘”获得大会奖状。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。

赵振业感慨地说:“我很庆幸,一接触工作便投入了我国第一个12%Cr型马氏体热强不锈钢研究。虽然那是跟着老一辈研究人员学步,而且一学就是10多年,但是作为一个主要参研者,看到亲自创造的综合性能优于国外同类合金的新钢种,并先后在3个航空发动机压气机转子叶片、轮盘应用成功,回味在那场文化大革命中日夜兼程走完的从合金设计、试验研究、工业试制到应用研究、构件生产和新材料研究全过程,从中学到的知识,积累的经验,培养的习惯以及对随后从事研究工作的裨益,我感到很值得。”

1970~1974年,赵振业还主持了国防科委重点项目650℃马氏体不锈钢GX-9研究课题。由航空工业部(以下简称航空部)、冶金工业部(以下简称冶金部)的两所三厂共同为高性能发动机(用于双三飞机)研制压气机叶片耐热新材料。课题组完成了合金成分设计、小炉试验、半工业试制,性能基本达到规定指标要求,且热强性为同类钢中最高水平。遗憾的是,该项研究因发动机下马而中辍。

自 主 创 新

我国战斗机后机身普遍存在超重、超温问题。后机身超重后必须在前机身挂配重平衡,这就双倍增加了飞机的重量。产生这一问题的原因是主承力框处温度高,没有相应的超高强度钢可满足要求,只能选择中强度钢。后机身框用材强度低,成为飞机设计的一大难题。

随着飞行马赫数的提高,要求结构件能在一定的温度环境中工作。也就是说,结构材料在中温下应具有足够稳定的组织和性能。这一要求更加剧了上述问题,因此亟待发展耐中温的超高强度钢。

1968年,冶金部和航空部联合行文,要求研制一种可在500℃温度下工作的中温超高强度钢,用于制造自行设计的高空高速歼击机歼9的后机身框架。此框架同时承受垂直尾翼接头和机翼接头传来的复杂应力状态和300~400℃的温度。

新钢种由621所、本溪钢厂和成都611所、成都132厂共同组成设计、科研、生产“三结合”专题组研制,牌号为GC-19。

由于诸多因素,课题组先后换过两班成员,直到1975年仍未达到规定的性能指标。1975年年末的一天,研究室主任张喜源找赵振业谈话,说副所长黄恢元指示,GC-19钢要搞下去就换人,否则就停下不搞。室里决定让他担任负责人,成员由他选,并要他马上去成都参加歼9飞机选材讨论会。赵振业随之从不锈钢组转去主持新结构钢种的研究。

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