堯丁 羽淵

2018年5月，一則消息引來廣泛關(guān)注：我國大客發(fā)動機驗證機首臺整機點火成功。

鈦合金寬弦空心風扇葉片研制項目負責人李志強會心笑了。作為大型客機發(fā)動機驗證機研制十大關(guān)鍵技術(shù)之首，其研發(fā)進展備受業(yè)界關(guān)注，其成功研發(fā)標志著我國鈦合金寬弦空心風扇葉片設(shè)計制造技術(shù)取得突破性進展。

“空間彎扭掠、大弦長、高空心率”，超塑成形/擴散連接技術(shù)（SPF/DB）成就了鈦合金寬弦空心風扇葉片之美。這一堪稱藝術(shù)品的構(gòu)件，正是李志強和團隊潛心攻關(guān)30余年的目標所向。

李志強會心之笑，是為團隊不懈努力而高興，也是對自己數(shù)十年科研工作所經(jīng)歷的點點滴滴的一個回饋。

不負春光，潛心科研

1986年，李志強從西北工業(yè)大學材料科學與工程系畢業(yè)，分配到中國航空制造技術(shù)研究院（其前身是中國航空工業(yè)集團北京航空制造工程研究所）工作。

李志強一入職便從事SPF/DB的研究。該技術(shù)利用材料在高溫下具有均勻大變形能力（超塑成形）以及界面原子互擴散形成與母材接近等強的固態(tài)接頭能力（擴散連接）實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的成形。這種輕量化整體結(jié)構(gòu)制造技術(shù)可以取代或者部分取代傳統(tǒng)的鑄鍛件數(shù)控加工、骨架蒙皮焊接、鉚接等結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)強剛度好、輕量化效果顯著，在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。因此，自誕生起，該項技術(shù)就迅速成為航空航天工業(yè)推崇的技術(shù)“新貴”，成為衡量一個國家航空航天技術(shù)能力的重要標志。

他入職時，國內(nèi)SPF/DB技術(shù)剛剛起步，單位里僅有兩臺自主改造的老舊設(shè)備，技術(shù)人員通過在空心爐磚中盤繞電阻絲實現(xiàn)設(shè)備加熱。李志強在當時就練就了快速纏繞電阻絲通電加熱的本領(lǐng)，直到現(xiàn)在還沒有忘記;沒有可供借鑒的藍本，就自己動手想辦法。在紀文海、宋飛靈等老一輩技術(shù)專家?guī)ьI(lǐng)下，李志強就是在這樣簡陋的“土爐子”上，研制出了國內(nèi)首個正式的鈦合金超塑成形/擴散連接裝機零件。

上世紀80年代至90年代中期，國內(nèi)型號任務少、科研經(jīng)費大幅縮減，早期從事SPF/DB技術(shù)的上百家單位在此期間紛紛轉(zhuǎn)行，最后堅持下來的不過四五家，各單位年輕科研人員離職下海也不在少數(shù)。李志強選擇了堅守，科研任務少，他就充分利用時間閱讀大量技術(shù)文獻。良好的英文能力，讓他閱讀國外資料游刃有余，夯實了專業(yè)功底。

多年后與團隊成員交流時，李志強坦露了當時的心聲：“堅持下來，就是因為興趣和好奇心?？戳速Y料，更堅信我們一定能做得跟他們一樣好，甚至可以超越他們。”他停頓了一會，話鋒一轉(zhuǎn)，“那時候軍品任務少，沒有多少經(jīng)費，但同時也沒有生產(chǎn)和交付壓力，其實正是一個潛心做科研的好機會?！?/p>

由于經(jīng)費限制，李志強和團隊選擇了最核心、最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)開展研究。SPF/DB的二層、三層、四層、五層以及更復雜的結(jié)構(gòu)，都在那段時間實現(xiàn)了突破。在中國航空制造技術(shù)研究院展柜展示的許多SPF/DB典型結(jié)構(gòu)件，均是那段時間的作品。

所謂經(jīng)典，就是為后來的年輕科研人員從事SPF/DB技術(shù)研究提供了基本范式與有益借鑒。正因為這樣的堅持，才在艱難時期將這項先進制造技術(shù)的火種保存下來，并孕育成星火燎原之勢。

持之以恒，歲月總會回饋曾經(jīng)的付出。

厚積薄發(fā)，推陳出新

經(jīng)歷低迷期后，航空工業(yè)終于在上世紀90年代末期迎來了發(fā)展機遇。機會總是特別青睞有準備的人，李志強此時已成長為超塑成形/擴散連接專業(yè)的技術(shù)帶頭人，長期積累的大量科研成果，亟需工程化應用來驗證。從二代機到三代機再到最新型的四代機，李志強和他的團隊實現(xiàn)了SPF/DB結(jié)構(gòu)的一次次發(fā)展提升?？谏w、框梁、壁板……飛機結(jié)構(gòu)件尺寸愈來愈大，結(jié)構(gòu)愈來愈復雜，在一次又一次挑戰(zhàn)工藝極限的道路上，李志強和他的團隊技術(shù)實力不斷增強，從基礎(chǔ)研究—工程驗證—定型批產(chǎn)每一步走得都扎扎實實。

盡管已在飛機結(jié)構(gòu)件上得到諸多應用，李志強卻沒有止步于此，而是不斷探尋新的應用機會，尋求更廣闊的發(fā)展空間。在一次和某設(shè)計單位的技術(shù)交流中，李志強敏銳察覺到SPF/DB技術(shù)可以應用于導彈方向舵及翼面結(jié)構(gòu)研制。這在當時是個大膽的想法，國際上尚無先例，多年以后的應用實踐證明他當時的選擇是正確的。

導彈具有高超聲速、高機動性等特點，對舵翼面承載能力及輕量化有著極高的要求。而整體性好、承載能力強、結(jié)構(gòu)輕，正是SPF/DB技術(shù)的優(yōu)勢所在。經(jīng)過仔細推敲、反復驗算，李志強創(chuàng)造性地提出了實體-空心混雜結(jié)構(gòu)方案：由中間密布的十字筋格整體空心結(jié)構(gòu)承擔巨大的氣動壓力載荷，并傳遞至與彈體相連接的實體安裝座上，從而實現(xiàn)空心結(jié)構(gòu)的集中承載。

在確定技術(shù)方案具有可行性之后，李志強立即找設(shè)計單位溝通，雙方進行了詳細深入的技術(shù)對接和方案論證。最終，他用新穎、可靠的技術(shù)方案，說服了對方。國內(nèi)外沒有使用先例，結(jié)構(gòu)應該怎么設(shè)計？面臨制造新問題該如何解決？新型結(jié)構(gòu)要怎樣測試評估？標準是什么？一面是型號交付的巨大壓力，一面是全新的結(jié)構(gòu)、全新的方案，李志強及其團隊小心翼翼、如履薄冰。時任研究室主任的他，既看重技術(shù)推廣帶來的經(jīng)濟收益，更看重此新結(jié)構(gòu)應用給技術(shù)發(fā)展帶來的新機會。

某型導彈的速度為4-5倍音速，相當于國際上最先進的第四代戰(zhàn)機F22最大飛行速度的2.5倍。在如此快的速度下還要能夠靈活追蹤目標，負責控制導彈飛行姿態(tài)和路線的舵翼面承受的力量究竟有多大？

最終，交付用戶的產(chǎn)品揭曉了謎底：投影面積不過半張A4紙大小、重量不到500克的方向舵，需要承受600多公斤的壓力，最大變形不超過10毫米。其團隊曾發(fā)表一篇科普文章——《從無到有，艱難超越》，講述的就是李志強帶領(lǐng)團隊在舵翼面應用SPF/DB技術(shù)的科研故事，引起了多家主流媒體關(guān)注轉(zhuǎn)載。

導彈舵翼面新產(chǎn)品的研制成功，標志著SPF/DB技術(shù)的應用對象實現(xiàn)了從簡單到復雜、從靜態(tài)到動態(tài)、從次承力件到主承力件的拓展提升，技術(shù)優(yōu)勢得到了充分發(fā)揮，同時也建立起了一整套SPF/DB復雜空心結(jié)構(gòu)設(shè)計-制造-試驗技術(shù)規(guī)范。

技術(shù)推廣應用，需要深厚的技術(shù)積累、對技術(shù)本質(zhì)的深刻理解以及高度敏銳，李志強正是這樣一位科研工作者。他在壓力、風險面前敢于挑戰(zhàn)，讓SPF/DB技術(shù)脫穎而出，不斷拓展新的應用領(lǐng)域，一次又一次釋放出先進技術(shù)的能量，時時閃現(xiàn)科研工作者的智慧光芒。

不畏征途，鑄中國“心”

有些路，注定不能一馬平川，須跋山涉水、披荊斬棘……航空發(fā)動機空心風扇葉片研制之路就是這樣的。

早在1993年，利用SPF/DB技術(shù)研制航空發(fā)動機空心風扇葉片的構(gòu)思已在李志強腦海中不時閃現(xiàn)。

礙于當時各方面條件并不成熟，這個構(gòu)思只能停留在腦海里，難以付諸實踐，但這個想法他從未遺忘，一直在等待機遇來臨。航空發(fā)動機空心風扇葉片這一結(jié)構(gòu)，能夠完美地呈現(xiàn)SPF/DB技術(shù)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)的整體性、高剛性、優(yōu)異減振和承力性能。對“技術(shù)控”的李志強來說，這樣的結(jié)構(gòu)足以吸引他竭盡全力。

盡管當時在國內(nèi)無法找到項目支持，李志強還是想方設(shè)法從設(shè)計單位要來了一份以往發(fā)動機風扇葉片的外形圖，帶領(lǐng)團隊利用老舊成形設(shè)備，從零開始、多次嘗試，研制出了手掌大小規(guī)格、內(nèi)部帶簡單支撐筋的鈦合金空心風扇葉片模擬樣件。當團隊成員滿懷工藝試驗成功的喜悅，拿著樣件去和設(shè)計圖紙對比時，卻發(fā)現(xiàn)葉片的型面剛好與圖紙相反！這似乎是一個“下馬威”。此次失誤的損失固然可承受，但卻時刻警示團隊成員：絲毫馬虎就足以毀掉成功。

2005年，在國家相關(guān)研究計劃的支持下，鈦合金寬弦空心風扇葉片項目終于得以啟動，李志強帶領(lǐng)團隊全力投入到葉片試驗件的研制中。

歷時6年，經(jīng)過成百上千次的工藝試驗和數(shù)據(jù)迭代，李志強和團隊滿懷信心帶著幾十件空心葉片試驗件到沈陽進行振動疲勞性能測試。然而，試驗結(jié)果卻讓所有人傻了眼：絕大多數(shù)葉片在試驗臺上堅持不到1小時就發(fā)生了斷裂，只有個別葉片的性能達到技術(shù)指標。

航空發(fā)動機追求的是絕對安全，在其20-30年的全壽命周期，要求風扇葉片10億次循環(huán)的性能穩(wěn)定。為滿足如此嚴苛使用環(huán)境下整個風扇在全壽命周期的結(jié)構(gòu)可靠性，全部考核葉片穩(wěn)定通過振動疲勞測試是基本要求，不允許哪怕一片葉片出現(xiàn)過早斷裂。

那個性能指標最好的葉片，成了黑暗中的一束光，給予了團隊莫大信心，讓團隊很快走出了試驗失敗的陰霾，燃起了再戰(zhàn)的斗志。大家都明白，試驗的失敗并不是因為運氣差，背后一定存在著科學問題沒有真正解決。

找不準問題的方向，就無從下手制定解決問題的方案。2011-2013年，是李志強最勞心的兩年。已擔任總工程師的李志強，白天行政工作繁忙，下班后還會準時參加項目團隊會議，帶領(lǐng)技術(shù)人員分析并驗證工藝和數(shù)據(jù)，試圖從中找出問題的原因，尋求解決的方案。

團隊成員蓋鵬濤說，“回想起來，那時候最怕現(xiàn)場提問?！薄澳阏f噴丸強度是這個參數(shù)，如何證明？”李志強的一再追問，每次都會讓團隊成員出一身冷汗。在科學問題面前，李志強嚴肅且謹慎，絕不容許絲毫偏差;但是在討論問題時，他卻鼓勵大家，“空心風扇葉片制造是一個全新未知領(lǐng)域，討論技術(shù)問題，不要有心理負擔，要敢于思考和質(zhì)疑，不迷信任何人甚至學術(shù)權(quán)威。”

空心風扇葉片外形彎扭掠、空間變壁厚、內(nèi)部密集桁架的結(jié)構(gòu)特點，以及多次高溫熱變形工藝過程，使得其外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精度以及材料性能控制難度極大，而恰恰振動疲勞試驗又對以上制造偏差極其敏感，實現(xiàn)疲勞壽命穩(wěn)定控制的難度可想而知。通過翻閱大量相關(guān)文獻資料、梳理思路、分析原因、系統(tǒng)歸集問題，團隊最終確定了以控制葉片宏、微觀應力集中為主線，重點解決整體結(jié)構(gòu)精確成形、進排氣邊自適應加工、材料性能主動控制、內(nèi)外應力協(xié)同調(diào)控四大瓶頸技術(shù)的詳細攻關(guān)方案。

就結(jié)構(gòu)精度來說，空心葉片沿弦向、展向均為變壁厚結(jié)構(gòu)，既要保證氣動外形精度，又要保證空心桁架內(nèi)型精度，如何實現(xiàn)精確成形，工藝上如何控制？這又是一個新課題。另外，從內(nèi)外應力調(diào)控的角度，實心葉片的噴丸工藝參數(shù)對空心葉片顯然不再適用。葉片厚薄不一、有無桁架連接之處，為達到最佳疲勞性能，噴射強度的參數(shù)又該如何控制？一個個具體問題逐步浮出水面。

又經(jīng)過四年攻關(guān)，1500多件試驗件，17000多個小時試驗，前后10余輪的結(jié)構(gòu)和工藝改進，從材料、工藝、裝備、加工制造到試驗測試全過程，保證葉片疲勞性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，終于一個個被解決了。

李志強帶領(lǐng)團隊乘勝追擊，攻破了葉片振動疲勞這個最大的技術(shù)難題，并順利通過了葉片鳥擊試驗，為風扇葉片在大客發(fā)動機驗證機上裝機應用掃清了障礙。

“商用發(fā)動機上驗證成功只是前進中的一小步，鈦合金寬弦空心風扇葉片研究和應用仍有很長的路要走?！崩钪緩娊榻B到，“我們所處的位置，我們的角色，就是要不斷創(chuàng)新，不斷發(fā)展現(xiàn)有技術(shù)并研發(fā)新技術(shù)。作為軍工科研院所的一員，要把任務壓力作為創(chuàng)新的源泉和動力，坦然接受挑戰(zhàn)，去研究更先進的技術(shù)，促使其螺旋式上升、前進?！边@是李志強的心聲，也是時至今日，他對年輕科研工作者的期望。

團隊成員韓曉寧談到，“多年來，李院長的職位雖發(fā)生了變化，但對技術(shù)研究的執(zhí)著與熱愛從未改變?！?/p>

技術(shù)攻關(guān)，靠的不僅是力氣和運氣，更多是智慧與汗水的完美組合，以及艱苦磨礪中的咬牙堅持。而能夠支撐一個人長達數(shù)十年初心不改，最根本的就是心中的信仰與夢想。于李志強來說，這份信仰與夢想，就是航空報國。正因如此，他才能夠在別人放棄的時候堅持，能夠在遇到問題時攻克難關(guān)，能夠始終確保自己的研究興趣與祖國航空事業(yè)同向，承載科技工作者的應有使命。

匠心夢、航空夢

正如李志強所講，科學和藝術(shù)是相通的，科研人員總是期待科學蘊含藝術(shù)之美，這或許是他執(zhí)著于鈦合金寬弦空心風扇葉片研制的另一原因所在。作為一名航空科技工作者，他最大的心愿就是不斷用新的制造技術(shù)托舉國之重器比肩世界、超越世界，這也是萬千航空科技工作者共同的航空夢。

責編/高妍

李志強，973項目技術(shù)首席，國際先進材料超塑性學術(shù)委員會委員，中國機械工程學會塑性工程分會超塑性專業(yè)委員會主任委員，中國航空學會制造工程分會主任委員，英國帝國理工大學兼職教授，International Journal of Lightweight Materials and Manufacture 等期刊主編，是我國金屬超塑性成形領(lǐng)域的學科帶頭人之一，長期從事金屬超塑性、超塑成形/擴散連接（SPF/DB）、旋壓等塑性加工技術(shù)和專用裝備研究，為我國多型重大武器裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件研制生產(chǎn)和關(guān)鍵工藝裝備自主保障作出了突出貢獻。