作者:陈邦忠 来源:中国科学报 发布时间:2018/3/6 14:51:58
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曾苏民:我国现代模锻技术开拓者


 

曾苏民(1932年2月—2015年11月)

曾苏民院士生于1932年1月,湖南双峰人,中共党员,教授,博士生导师。1947年考入国立中央技术学校长沙分校机械制造专业学习;1950年毕业后在重工业部东北有色金属管理局基建处工作,任技术员;1953年6月至1955年2月在苏联乌拉尔铝加工厂进修,学习飞机、导弹、火箭等军用品的材料制造;1955年至1966年2月在东北轻合金加工厂工作,任技术科工艺组组长、模压车间副主任、工程师;其间,于1959年8月至1965年8月在新风加工厂职工业余大学学习,并取得压力加工专业本科文凭。曾苏民院士是我国著名金属压力加工专家,我国现代金属加工技术的开拓者之一,是国家首批晋升的教授级高工,被授予“国家有突出贡献中青年专家”和“全国优秀科技工作者”称号,享受国务院特殊津贴。1999年11月当选为中国工程院院士。

■陈邦忠

在逆境中显现求知欲望

曾苏民,1932年2月14日出生于湖南省双峰县金溪区南口乡红星村,15岁的他与一位同学结伴走了三天三夜,到了150多公里外的省城长沙求学。因成绩优异,当时他接到了8所学校的录取通知,但最后却选择了不收学费,又有一定奖学金的国立机械技术学校长沙分校。1950年5月,曾苏民毕业分配到东北重工业部当技术员。由于工作出色,1952年元旦,单位选派他参加了辽宁抚顺俄语培训班。那时,他还只有20岁。入学考试时,由于他以前只学过英语,初学俄语,他感到很吃力,第一次俄语考试几乎交了白卷。为此,他开始夜以继日地攻读俄语,一个字母一个字母地背,不懂就问同学、问老师,往往一个字母的发音就要练上几小时。为记单词,他自制了5个小单词本,每个小本上写有4000个单词,走到哪里带到哪里,一有时间就拿出来记上两个。晚上还要把当天学的单词抄写上百遍。毕业时,他竟在班上40名同学中,获得俄语第三名,而这40名同学中的绝大部分,都是解放前后的大学毕业生,并且大部分都在参加俄语培训班之前学过俄语。

1953年6月,经单位选派审查后,决定派曾苏民赴苏联乌拉尔铝加工厂学习模压工艺及模具设计。曾苏民留学的铝加工制造领域,当时在中国还是空白,目的是学习苏联的铝加工先进技术,为中国自主生产制造飞机、导弹、火箭作准备。肩负这一伟大使命的他,刻苦钻研,每晚都要学到12点,困了就喝浓茶提神,晚上除了整理白天的读书笔记和学习心得外,还得准备许多第二天向老师请教的问题,学习苏联的经典技术著作,时常废寝忘食。通过两年的刻苦攻读,曾苏民以优异的成绩得到了苏联专家的好评,并被中国驻苏联大使馆评为优秀学员。1955年3月,曾苏民学成回国,在黑龙江哈尔滨东北轻合金加工厂工作。工作期间,他于1959~1965年,在该厂职工业余大学学习了6年,并获得教育部文件认可的相当于大学本科的学历。曾苏民院士虽没有在学校进行过系统的基础教育学习,但他凭借持续一生的进修与刻苦自学,在科研生产实践过程中,完成了系统深入的学习,为中国铝加工技术的自主创新,奠定了坚实的基础。

学成归来,初出茅庐显身手

曾苏民幸运地参与了“两弹一星”科技攻关的整个历史进程。在万吨水压机上成功地生产出我国第一颗原子弹的外壳后,更是名声大震,“锻件王”的头衔上又加了一道“国防功臣”的光环。他还来不及总结成功的经验,一项新任务又光荣地降临到他的头上。

1964年11月间,北国大地已是千里冰封万里雪飘。这天,曾苏民早早来到办公室,开始了他一天的工作。突然,电话“叮铃铃”地响了起来。厂长告诉他,中央有关部委又下达给一○一厂一个紧急任务:生产20个氢弹外壳,12天内务必完成任务。这项光荣任务就交给你了。曾苏民只回答了几个字:“行,没问题。”别看他答应得很轻松,其实问题很大、很多。牵头负责这项任务的曾苏民,尽管此前参与过原子弹的部分关键材料的研制,但这么大尺寸的材料,当时整个中国都还没制造过。模具和炉子就是大问题。在12天内就连模具钢也调不来,别说制模具;模具那么大,现制作要花费很长时间;炉子要大,目前厂里没有。如果临时拆装这样的炉子,至少需要三个月;工序又有几十道,可是总的时间只有12天,曾苏民更是寝食难安。

曾苏民同时作着两手准备:一是按照常规工作模式去准备,但是顾虑计划经济体制效率低下,导致时间拖不起,12天很可能完不成任务。但是常规模式不能放弃,必须要去尝试,于是请坐镇的副司长亲自出面,去齐齐哈尔钢厂调取大型模具钢——这时一切都凭计划,计划在年前就安排好了,要调整计划有难度,像这样临时调运战略物资,你就是喊破嗓子也没人理睬;二是在现有基础上,就地取材,灵活应对,不等不靠,采取其他办法,一边做实验,一边筹备生产。但是存在的问题之一是现有模具钢的高温强度不够,产品尺寸过大,采用常规模锻工艺时,锻压时的强大冲击力,容易导致模具开裂和产品报废。现有的炉子没有做过这么大的产品,加热时很难热透和热均匀;如果产品加热不均匀,被锻压时很容易出现裂纹和直接报废。接到任务的当晚,厂里就召开特别会议研究制造方案。会上,曾苏民提出“高料温、低模温”的新工艺方案,即待锻金属温度要提高,模具的温度要降低,比现在的规范降低一半,避免模具钢高温强度不够、模具开裂导致产品报废的问题,还可以争抢时间和工作进度,但风险是坯料温度提高,有可能引起微观组织过烧、导致产品性能大幅下降的风险。风险虽然存在,但是只要措施得当,风险完全可能控制在合理的范围之内,于是方案得到通过。

曾苏民立即作出周密部署,全方位启动工作。从绘制模具图到图纸审批,从调运普通钢坯到模具安装到位,48道工序在一天内全部完成。在生产中将人员分作几批,日夜连轴转。仅仅10天,20个合格产品竟拿了出来,从而保证了中国第一颗氢弹的成功引爆。

攻克难关,锻造出亚洲第一环

1986年,美国挑战者号航天飞机机毁人亡;马丁·玛丽埃塔公司为美国空军制造的大力神火箭爆炸;麦道公司的德尔它火箭由于过早熄火而自毁;占据世界卫星发射市场半壁江山的欧洲航空局的阿里安火箭,因屡出事故而遭质疑。这一年,世界航天发射出现了太多的灾难,西方运载工具的信誉受到了挑战。同时,世界航天发射市场出现了用户排队等待发射卫星的局面。于是,世界各大卫星公司老板们将焦急的目光移向世界的东方。敏感的中国航天人立即意识到,这是一个进入国际航天发射市场十分难得的契机。

这时,一些国家正在推出新一代约3吨重的卫星,20世纪90年代将出现世界卫星换代的高峰,但中国的运载火箭只有发射1.3吨卫星的能力。我国要跻身国际重型卫星发射市场,必须提高运载火箭的承载能力。为此,航空航天部提出要研制一种采用捆绑技术的新型火箭——CZ-2E。它可以把CZ-2C低轨道运载能力从2.5吨一下提高到9.2吨。配以固体推进剂,火箭上面级可将3吨的有效载荷送入同步转移轨道;配以液氢液氧推进剂,上面级同步转移轨道运载能力将达到4.8吨左右。这项研制任务被称作“867工程”。这是关系到我国能否进入世界航天发射市场的关键一步。

CZ-2E运载火箭上的一个承力框,直径达3500毫米,卫星整流罩、有效载荷支架通过该框连接到二级箭体上。因此,该框是一个结构复杂、要承受火箭飞行中的各种外载荷的关键性承力件。由于它的尺寸巨大,被称为“亚洲第一环”。这是“867工程”关键的一“环”,关系到航天发射的成败,已经确定为重要的科研课题,需要专家反复地论证。

曾苏民接到任务后,一头扎进研究工作中,首先是“大”的问题。直径达3500毫米,径高比达30,大大超过常规的10,锻造中很难控制尺寸公差。第二是“纯”的问题。对合金组织成分要求很“纯”,巨型锻环的探伤要求达到B级标准是很难做到的。第三是“高”的问题。对材料的力学性能要求很高,超过了GBn223-84标准的要求,达到了波音公司1988年BMS7-186E标准,成品加工精度高达1/3500。这要求锻件残余应力降到很低水平。等于说1500公斤重的巨型锻环要求达到30公斤重的锻件的性能指标,其难度是非常大的。

三大难题就像三座大山横亘在面前!

经过十几个日夜以后,他隐约看见成功的大门向他洞开,金光万道——他拿出了初步总体方案。他在方案中全面分析了巨型锻环的特点,研制的难点和难度,目前工厂具备的基本研制条件,存在的问题和不足,应该采取的措施。从设备到工艺,从人员到管理,从可能出现的质量问题到人身设备安全,甚至经费预算,都有论述,特别是提出了重大的工艺方案。这些方案涉及熔铸、锻造、热处理等锻件研制的全过程,是全新的、创造性的。厂长贺广瑗接到曾苏民的总体方案后,立即进行研究。研制工作是一项庞大的系统工程,需要解决的问题很多。他调集了厂内各路专家,成立了研制组。曾苏民还是老职务——组长,贺广瑗自任副组长。总体方案一送达上级,立即引起了上级领导和专家的极大兴趣。有色总公司先后4次派人来到西南铝加工厂,对总体方案进行反复论证。钟诚道、米世枢、郑廷顺、戴玲宝等专家对总体方案进行了完善。很快,国家计委、国防科工委、国家物资部、航空航天部、冶金工业部、有色总公司联合正式下达了研制任务。曾苏民将任务逐项分解,落实到人,大锻环“大”和“高”的问题主要留给了自己。

1988年年底,“867工程”专项材料紧急订货会在北京京丰宾馆召开。西南铝代表团由副厂长谌鼎言带队,成员钟诚道等应邀匆匆赶到北京。会上,西南铝共获得板材、型材、管材、棒材、锻件等高品质铝合金材料定单289项。其中的铝合金框特大型锻件研制,是“867工程”唯一的科研项目。按常规,完成这样的科研项目,需要一年以上时间,而合同要求西南铝必须在1989年6月底前完成。这意味着锻环研制只能一次成功!合同要求未免苛刻,甚至有些“残酷”,但国际航天发射合同本身就是苛刻和“残酷”的。要保证“后墙不倒”——航天发射按时进行,必须这样。西南铝职工也和全国人民一样,一直做着飞天梦,而且做得更多。因为西南铝的建厂目的就是为国家航空航天服务的。自投产以来,满足国家航空航天需要,一直是西南铝生产经营的宗旨。能接受航天研制任务是光荣的,特别是能接受“867工程”这样伟大的任务,也是幸运的。全厂各单位、各部门大开绿灯。

在“纯”的攻关路上,攻关者跋涉得相当辛苦。航天材料一直磨砺着全世界专家的大脑,而制造大锻环的材料更有特点。这种材料已经是航天材料的第二代了,它本身就代表世界的先进冶金技术。由于该环件形体大,所需铸锭也很大;铸锭越大,铸锭内部质量控制越难,所要求的材料纯洁度实际不容易达到。要做到“纯”,首先要有先进的熔体净化设备和先进的熔铸工艺,才能除掉熔体中的杂质和有害气体,避免熔体的二次污染,才能熔铸出优质的铸锭。

这些拦路虎阻挡不住攻关者的脚步,一个月后,熔铸分厂传来了辉煌的战果:以女工程师戴玲宝为首的技术人员,在没有先进熔体净化设备的情况下,采用传统工艺,严格控制工艺环节,强化除气除杂效果,提高了熔体纯洁度。另一方面,创造性地改进供流系统,大大减少熔体的二次污染,从而解决了“纯”的问题。第一“高”地被攻破,消息大大鼓舞人心!其他研制人员也在各自攻关的路上跋涉。但许多天内,都很少有捷报传出。要想获得大锻环材料的高性能,必须进行淬火、冷变形和人工时效。要将这样大规格的环件淬火和时效,必须寻找合适的盐浴槽和时效炉。但是,热处理设备配套不全,这件事很难。为了启用已经锈蚀的特大型硝盐淬火炉,工厂不惜血本,对电气元器件进行了全部更换,又对硝盐槽体进行了无损检测。这些必要的工作做完以后,等待试用。

试用有巨大的风险,许多不确定的因素都可能导致硝盐淬火炉爆炸。一旦爆炸,盐浴槽内的硝盐爆炸当量相当于百多吨黄色炸药!两大国宝级设备,几条重要的生产线连同厂房,通通都将在瞬间消失!试用还是不试用?这个令人胆寒的问题只能由厂长贺广瑗决定。厂长贺广瑗给自己提出了一连串的问题:如果不试又怎么能用?不用怎么淬火?又怎么交出合格的锻环?他反复推敲可能出现的问题:怎样有效预防问题的发生;一旦出现问题,怎么补救;成功的把握究竟有多大?技术专家、安全专家提出了不少方案,以避免可能发生的意外。他想到指令性计划已经下达,合同已经签订,交工日期已经迫近,想到这些,他坚定地选择了盐浴淬火方案,果断地写下了“同意”两个大字。

高温均热炉时效,是利用高温均热炉,巧妙地控制电能,使电能转换成机械能再转换成热能的方法,实现材料的热处理。有专家感慨地说:“这是一个前无古人的伟大创举!”

按照设计方案,经过反复的试验,1989年4月20日,一个银光闪闪的锻环屹立在西南铝锻造分厂高大的厂房里,标志着亚洲第一环研制成功!

铝加工领域硕果累累

曾苏民院士60多年潜心研究,在铝合金加工方面取得了巨大成就,在5700多架波音飞机上,都使用了曾苏民技术生产的产品,包括波音737、747、757、767、777、787等。尤其是波音747-400型568座的巨型飞机的起落架,技术难度极高,也出自曾苏民之手。因此在波音公司的眼中,曾苏民毫无疑问地代表了中国航空航天材料加工技术的最高水平。他的模锻技术被波音专家誉为“东方魔术”。由于波音产品研制的巨大成功,西南铝吸引了以色列、法国等发达国家的订单。

美国发射22颗铱星,都采用了曾苏民开发的卫星底座。

中国在国际航天发射市场占据一席之地,最初的源头就是2颗澳星的成功发射。而发射澳星的长征大推力火箭,采用的主体结构关键材料,就是曾苏民研制的3500毫米大锻环。在此基础上,我国相继开发出的5300毫米大锻环和8700毫米大锻环,推动中国航天发射火箭成为国际发射市场的一支重要力量。

在国际核电市场,曾苏民也颇有建树。1988年6月,他领衔研制巴基斯坦和阿尔及利亚核反应堆使用的特大型铝合金锻件,创造了“预薄、包铝、高温、模锻”新工艺。1989年建成的反应堆,直至今日还使用着曾苏民当时开发的锻件,两国专家对此大加赞赏。

曾苏民的“优晶理论和性能同步提高理论”,获得了以英国剑桥大学为代表的国际学术界、以美国波音公司为代表的国际工程技术界的广泛认同。

1971年,我国研制的返回式卫星及火箭急需高镁铝合金大环,在当时我国尚没有三万吨水压机的情况下,曾苏民迎难而上。他经过反复测算和实验,综合多种压力加工方法,创造了“锻造+热轧”新工艺,攻克了特大铸锭锻造裂纹等5个技术难关,研制出优质铝合金大环,获得了1978年全国科学大会奖。此后,他又研制成功规格更大、性能更高的超强铝合金优质大环,并成功用于获国家科技进步奖特等奖的“战略武器火箭”和“巨浪一号”上。

长二乙(捆)、长三甲、长三乙(捆)急需3.1~3.5米的高强铝合金锻环,曾苏民综合多种锻造方式的特点和变形规律,创造三镦两扩新工艺,成功研制出特大锻环,代替了原钢环方案,显著降低了飞行器重量,火箭发射采用此锻环每次可节省200万美元,该技术获国家科技进步奖三等奖和部级科技进步奖一等奖。

“871工程”需要3平方米的模锻件,按正常工艺需要6万吨级的水压机才能生产。曾苏民通过控制金属塑性流动的摩擦状态,研究出“预薄高温模锻”新工艺,在3万吨水压机上成功地锻造出特大型精密铝合金模锻件。

DF31工程高性能铝合金大型整体锥形锻环是用于制造火箭末修舱的重要锻件,要求力学性能高于国标20%。曾苏民利用不同磨擦阻力和不同温度对金属变形流动的影响,以及工艺因素相关强化技术,创造出“四锥两特”(即锥形镦粗、锥形冲孔、锥形环锻、锥形冷变形、特殊熔铸、特殊热处理)的新工艺,成功地研制出用于制造火箭末修舱的大型整体锥形锻环,使抗破坏负荷提高30%,火箭射程增加136公里,弹着点精度提高了5倍。

1978年,时逢国家急需研制大型钛合金、高温合金模锻件,曾苏民当时任西南铝加工厂副总工程师。在此后的3年多时间里,他刻苦自学了钛合金、高温合金方面的知识,做了100多次试验,成功地研制了钛合金和高温合金模锻件。他自主创新研制成功的“预薄、空心、快速模锻”新工艺,打破了国外封锁,为我国钛合金模锻开辟了一条新途径,产品达到国际先进水平,为国家节约外汇550万美元,并荣获国家科技进步奖一等奖;此外,他还创造了“复合包套模锻”新工艺,并成功地应用于28种高温合金模锻件的研制中,创经济效益5600万元,为此,曾苏民及其团队荣获了国家科技进步奖二等奖。

1994年3月,曾苏民主持试制为美国发射22颗卫星用的卫星座锻件——三角形锻环。产品的力学性能要求高于我国国家标准40%,允许残余应力极小,精加工后变形要小于0.015毫米,他运用工艺因素相关强化技术,创造了大变形量、超长时间固溶、超长时间高温时效的“一大二长”新工艺,成功研制出纵横向力学性能相同的锻环,使高强铝合金达到了超强铝合金性能,经美方复验,质量优良。此后曾苏民运用铝合金内部能量变化规律,将13个相互影响、相互渗透、相互补偿的因素构建成一个关系式,定量描述这些因素间的规律,运用该规律,采用现有的设备和特种工艺,使铝合金超级全面综合性能显著提高。

再看看他在国内的众多“第一”。

他是新中国第一代航空航天金属材料专家;

他是新中国第一架飞机、第一颗原子弹、第一颗氢弹、第一颗卫星、第一枚长征火箭、第一枚洲际导弹、第一枚巨浪一号潜射导弹、第一枚地空导弹、第一艘神舟宇宙飞船的主体结构关键材料研制者;

他第一个开发出中国镁合金军工产品,开创了中国镁合金军工应用的先河;

他第一个研制出具有国际先进水平的钛合金模锻件;

他第一个研制出航空发动机用高温合金模锻件;

他创造出二十多项属国内首创或国际首创的新工艺,其中属于国际首创的代表性新工艺9项;

他一共获得包括特等奖、一等奖、二等奖在内的国家级科技进步奖16项,省部级科技进步奖25项,在国内无人能够望其项背。

……

曾苏民创新成果的时间节点,创新成果的原创程度,创新成果的数量,创新成果对于航空航天等领域的综合影响程度,创新成果的国际影响力等等,很少有人能与之相比。曾苏民院士不断挑战自我,超越自我,勇于创新,为我国科技创新树立了一块丰碑,他被誉为“中国模锻之父”当之无愧。

(作者单位:西南铝业〈集团〉有限责任公司)

 


 

①1983年曾苏民在英国进行学术交流。


 

②1998年曾苏民在现场指导生产。


 

③曾苏民研制的第一个波音飞机锻件。

本版组稿负责人:张佳静

曾苏民:没上过正规大学的院士

■陈邦忠

曾苏民院士长期奋战在国家重点工程、新材料研制和生产第一线,主要研究金属压力加工及热处理,研究领域涉及铝合金、镁合金、钛合金、镍基高温合金、铁基高温合金、不锈钢等几十项国家级研究项目,创造出20多项国际领先的新工艺,开发出100多种国际一流水平的新产品,至今已累计创造经济效益几十亿元。

曾苏民院士为我国有色金属加工工业的发展和技术进步作出了重大贡献。他综合运用金属塑性加工及相关学科的基本原理,结合我国现有设备条件创造出了一系列具有国际先进水平的新工艺,解决了许多重大工程技术难题,形成我国大型模锻生产技术体系;研制出快速模锻、复合包套模锻、亚等温模锻等新工艺,开发出一系列重要模锻用铝合金品种;开发出系列锻件热处理技术;创造出多向大变形技术,细化合金基体组织;开拓了我国向波音公司批量出口波音747、757、737飞机用铝合金锻件的渠道,获波音公司锻坯、锻件生产许可证;着力创新铝合金工艺因素相关强化技术,并上升到理论,在国际上首次将影响固溶保温时间的多个因素构建成一个定量关系式;将国产模锻件推向国际市场,并取得显著的经济效益。

一个没有进过正规大学,没有高学历,没有高文凭,来自企业的科研人员,如何成长为新中国第一代金属材料专家,成为新中国现代铝合金模锻压技术的开拓者,曾苏民院士用四句话总结自己成才的经验:自立于天下,自强攀高峰,抓住好机遇,成功在毅力。

1996 年,西南铝接到任务要为中国第一艘宇宙飞船“神舟”号生产锻坯和外壳。一开始,高镁铝合金的探伤纯度只能达到C级,同时有气泡和杂质存在,达不到航天要求。曾院士与厂里的技术员经过几百个日夜的实验,终于使探伤纯度达到了最高级A级,从而使“神舟”五号的锻环全部使用了高镁铝合金。目前,世界上只有美国、俄罗斯和中国能生产A级高镁铝合金。这只是曾院士科研工作的一个缩影,他所带领的技术团队,成功让105颗卫星上天,这些卫星上都有他和众多技术人员留下的汗水。

在铝加工领域,曾苏民院士一钻就是几十年,他以大胆、创新、实干的精神攻克了一道道曾被人认为发展铝加工材料不可逾越的技术难关,名震国内外,享誉全球,成为新中国第一代金属材料专家,成为新中国现代铝合金模锻压技术的开拓者,为我国航空、航天工业作出了突出贡献。无论是新中国第一批飞机的升空,还是卫星、火箭的上天,还是氢弹、原子弹的爆炸,还是神舟飞船、嫦娥二号的发射,这些无一例外都留下了曾苏民院士艰辛的汗水。面对成绩,他泯然一笑,总结出他的科技工作经历的成功之道——就是拥有着“一精、五学、三个他”。所谓“一精”,就是要少而精,精益求精。“五学”,就是要向理论学习、向实践学习、向他人学习、向规律学习、向失败学习。“三个他”,就是要尊重他人言行、发挥他人作用、借用他人力量。

曾苏民院士虽没有在学校进行过系统的基础教育学习,但他凭借持续一生的进修与刻苦自学,在科研生产实践过程中,完成了系统深入的学习,为中国铝加工技术的自主创新,奠定了坚实的基础。

《中国科学报》 (2018-03-05 第8版 印刻)
 
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