耐热高强钛基复合材料有力支撑航空航天高端装备

早在1961年，钱学森先生讲授《星际航行概论》课时就指出：“航天器每一个零件减少1克重量都是贡献，协调重量是总设计师的首要任务。”

高比性能的新材料是轻量化的基础。以陶瓷颗粒作为增强相的钛基复合材料作为一种轻质、高强的复合材料，是实现航空航天高端装备轻量化、提高装备功效和武器战术性能的关键战略材料之一。相较于传统高温合金，该材料在同等体积下可减重40%以上，每年节省燃料数百万吨，显示出巨大的经济效益和社会效益。

进入新世纪以来，我国航空航天领域发展迎来了新的时期，面对更加严苛的材料性能需求，急需开发低成本、高性能、技术自主可控的空天高端装备用耐热高强钛基复合材料。

上海交通大学空天高端装备用耐热高强钛基复合材料研究团队潜心攻关，二十余年磨一剑，成功自主研发了新型耐热高强钛基复合材料，不仅打破了国际技术封锁、实现关键核心技术自主可控，更为我国航空航天事业的发展提供了坚实的材料基础。它在高温环境下的稳定性和强度，使得我国的航空航天器能够在极端苛刻的服役环境中稳定运行，为我国的航空航天高端装备发展提供了有力支撑。

10月23日，2023年度上海市科学技术奖公布，由吕维洁等完成的“耐热高强钛基复合材料关键技术研发与应用”项目获上海市技术发明奖一等奖。

图片由研制团队提供。

研究团队创新性提出钛熔体与反应剂原位自生有效增强体的学术思想和技术原型，阐明了液态复合增强体晶体结构与形核生长规律，建立了原位自生增强体尺寸和形态控制的理论和方法，解决了原位自生有效增强体形态控制难。此外，该材料通过复合化的技术提升传统钛合金的性能，扩大了其在航空航天领域的应用范围，并能应对发动机和飞行器零部件面临的更高温度和冲击载荷的挑战，从而提高飞行器的性能和可靠性。

针对单元增强钛基复合材料存在的强塑性匹配不佳等问题，研究团队发现并阐明了原位自生增强体与基体位向关系与形成机理，提出多元增强体有序分布与耦合强化方法，构建了晶须偏轴强化和多元耦合强化的力学模型，揭示了多元增强体耦合强化机制，以及尺寸和形态对强度及模量提升的影响规律与机制，并创制出空天及国防用新一代轻质高强耐热600~800℃钛基复合材料，其室温和高温条件下的各项性能指标达到了国内领跑、国际领先的水平。

针对钛基复合材料复杂构件难以加工成形的问题，研究团队发现利用增强体诱发界面微区中的动态再结晶，形成细晶以协同塑性流变的规律，制定了多相协同与精密成形统一判据，建立了动态再结晶诱发大塑性加工技术，解决了钛基复合材料可加工性控制关键技术难题，实现了复杂构件的精密成形。

空天高端装备用耐热高强钛基复合材料取得了重要的经济和社会效益，为空天和国防重大装备研制并应用了千余套钛基复合材料构件。

相关研究成果授权中国发明专利26项，制定企业标准5项，发表SCI论文100余篇；建立了国内领先钛基复合材料企业，实现单锭吨级以上的钛基复合材料产业化制备与生产，打破国际上的技术封锁和禁运，为维护和高科技发展做出了重要贡献。