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张立同:“巾帼院士”的航空报国梦

发布时间:2019-09-29

  张立同,几十年来从事航空航天高温材料技术及其应用研究,解决了国家急需的一系列重大关键技术,取得多项开创性成果,使我国高温陶瓷基复合材料的研究与应用水平进入国际前列。她被人们称为“巾帼院士”。


  数十年扎根西北


  张立同出生于重庆,1956年,她以第一志愿考入北京航空学院热力加工系,1958年9月,随国家院系调整,她来到西北工业大学热加工系铸造专业学习。结束了5年紧张的大学生活,毕业后,她没有回北京,而是选择留校教书,从此与材料科学形影不离,在西北这块沃土上开始了她几十年的奋斗征程。


  上世纪中叶起,高比强度、高比刚度的耐高温材料的不断进步促进了我国现代航空航天事业的发展。具有良好柔韧性的陶瓷,更是航空航天和现代国防等高科技领域的理想材料。


  发动机作为飞机的心脏,解决叶片铸造变形问题是提高航空发动机涡轮叶片质量的关键。当时风华正茂的张立同在西工大担任助教,从事铸造技术方面的教学与科研工作。


  张立同“啃”下的第一块硬骨头是解决航空发动机叶片铸造变形难题。上世纪70年代,发达国家已将一些重要的涡轮叶片生产由锻造改为无余量熔模精密铸造,叶片的工作面无需加工就可达到所要求的尺寸精度和表面光洁度。


  而在我国,由于熔模铸造技术还十分落后,即使增加抛光余量的叶片,变形报废率仍高达30%~50%。巨大的浪费让张立同心疼,因为一片高温合金叶片的价格相当于她4个月的工资。


  1973年,国防工厂派人到西工大,寻求无余量叶片生产的技术攻关支持。张立同了解到,这一技术难题久攻不破,国家航空事业就发展不上去时,她以一个科技工作者崇高的责任感,在那样一个批判“唯生产力论”的年代,勇敢承担了“高温合金无余量熔模精密铸造叶片新工艺研究”课题。


  那个年代,国外技术对我国封锁很严密,研究经费有限,各种原材料奇缺,研究时限紧张,人手不够,而且张立同要研究的材料,超出了她所学专业的范畴,涉及其他几个学科。但是,抗战时颠沛流离的经历磨砺了她一股百折不挠的勇气和敢为天下先的锐气。


  为了掌握需要的专业知识,她无数次地出入图书馆,在实验室做了上千次的实验,测试了上万个数据,整理了100多万字的实验资料,付出了巨大劳动。


  经过半年不分昼夜的工作,从获得的数万个数据的分析中,她发现了刚玉陶瓷型壳的高温软化变形机理和叶片的铸造热应力变化的特点,寻找到叶片变形规律,首次从理论上全面揭示了航空发动机涡轮叶片在熔模铸造过程中的变形规律和本质,为无余量精铸工艺研究提供了重要理论依据。


  常怀报国之志


  1976年,我国引进英国斯贝发动机制造技术,其中陶瓷型壳材料、模料和陶芯等分属三个厂家专利,还需另花大量外汇去买。在大家束手无策,进退两难时,张立同再次主动请缨,以攻关组自行研制的无余量熔模铸造技术与材料,替代英国相应材料技术,铸造斯贝发动机低压一级无余量空心导向叶片。


  这个项目不仅涉及到大量研究工作,还涉及到不少材料的定点生产问题,1976年的地震天灾和人祸使得不少生产部门处于瘫痪状态,百姓惶惶不可终日,研究工作的难度是可想而知。但是,“国家需要”的号令鼓舞着她去克服困难,张立同带领课题组即使在“闹地震”的高潮中,仍然坚持在工厂。


  为了寻找材料的定点厂,她跑遍了铜川矿区;没有设备仪器自己研制,开发的高温强度、透气性、膨胀、抗蠕变、表面湿润仪等十多种材料性能测试仪填补了国内空白。


  一天深夜,她独自在实验室,由于劳累过度,一不小心被喷出的高温蜡糊住了双眼,灼热的痛苦以及旷日持久的疲劳几乎使她丧失信心,委屈伤心一刹那涌上心头。可是第三天,眼伤未愈,她又进了实验室。凭着这种拼命精神,张立同带领课题组经过一千多个日日夜夜的奋战,用铜川上店土型壳材料铸造成功我国第一批高精度、低粗糙度的低压一级无余量空心导向叶片。


  新铸叶片的尺寸精度及内部质量与国际著名的罗罗发动机公司的斯贝发动机叶片相当,表面粗糙度还略低于英国叶片。 斯贝发动机的引进,使张立同的研究进入到向国际先进行列看齐的新阶段。这也使她深深体会到,在国与国之间的交往中,核心技术是买不来的,我们必须依靠自己的力量,我们也完全有能力依靠自己的力量掌握先进的技术。


  勇攀科研高峰


  为了给国家的航空航天和国防建设提供优质的陶瓷材料,1987年,步入中年的张立同凭着一个优秀科学家特有的敏锐,果断地提出了发展航空航天高温结构陶瓷的科研新方向,她毅然向“陶瓷基复合材料技术”这个一般人不敢问津的课题发起了挑战。


  两年后,张立同作为高级访问学者来到美国NASA空间结构材料商业发展中心实验室,承担了美国未来大型空间站结构用连续纤维增韧陶瓷基复合材料的探索研究工作。国外研究经历坚定了她发展“具有类似金属断裂行为的连续纤维增韧高温陶瓷基复合材料”的决心和占领这一高技术领域的信念。


  1991年,张立同怀着报效祖国的强烈愿望带着国外的研究成果回到西北工业大学。这项技术,当时只有法国和美国在上世纪90年代初期才步入应用研究阶段,因而在材料构件的制造技术与设备方面对我国实行严密封锁。课题组在经费十分困难的情况下,因陋就简自制了一台热压机。1992年的冬天西安特别冷,为了调试热压炉他们在冰冷的实验室度过了春节。功夫不负有心人,课题组很快在热压自增韧氮化硅性能上取得突破性进展。


  课题组齐心协力,当年就在高温陶瓷材料的应用开发上取得了很好的经济和社会效益。利用挣来的钱,还研制了一台纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料制备的小型CVI炉,拉开了“碳化硅陶瓷基复合材料研究”的序幕。


  他们先后做了4代设备试验了400余炉次,整整用了3年时间,在1998年底终于制备出第一批性能合格的试样,又经不断改进于1999年全面突破了碳化硅陶瓷基复合材料制造工艺与设备的一系列核心关键技术,材料的性能达到国际先进水平。2004年,张立同团队的成果获得国家技术发明一等奖,打破该奖项连续6年的空缺,在国内外引起强烈反响。我国一跃成为继法国之后,第二个自主掌握化学气相沉积碳化硅陶瓷基复合材料制造技术及其设备的国家。

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