“钛”棒了——空天装备用耐热高强钛基复合材料发展之路

航空航天领域的发展离不开高性能材料的支撑。钱学森先生早在1961年讲授“星际航行概论”课时指出：“航天器每一个零件减少1克重量都是贡献。”轻量化的实现离不开设计、先进制造，特别是高比性能的新材料。

文|王 昊 赵晨露 蒲秉真

第一届“两翼杯”青年前沿科普作品创作活动科普文章展示作品

从嫦娥奔月、夸父逐日的神话传说，到明朝万户火箭飞天的壮举，再到毛主席所题的“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”，中华民族从古至今对天空和宇宙的向往从未停歇。

近代，美国的莱特兄弟发明飞机，使曾经遥不可及的天空近在咫尺，航空航天科技由此蓬勃兴起。

耐热高强钛基复合材料应用场景

01.

空天飞行器材料的迭代

空天飞行器的用材是航空航天科技实现突破的关键因素之一。早期的高性能钢材虽然强度大，但密度高达7.8克/立方厘米，导致燃料消耗大。铝镁合金的密度仅为钢的1/3，大幅推动了飞机的结构革新，但其在300℃以上性能会骤降。钛及其合金凭借低密度和耐高温的特性，在一众新材料中脱颖而出，实现了质量与性能的平衡。为应对传统钛合金的强度在600℃以上会受限的难题，复合化作为突破瓶颈的有效途径被提出。

通过引入陶瓷或纤维增强相形成的钛基复合材料兼具轻质与高强的特性，已在空天飞行器、火箭发动机及民用压缩机等的关键部件中展现出广阔的应用前景。相较于传统的高温合金，它可减重40%以上，每年节省数百万吨燃料，经济与社会效益显著。

02.

突破封锁，自主创制

新材料既是空天飞行器的物质基础，也是装备升级的重要动力。对空天飞行器而言，“卡脖子”技术的根源多在于材料。1996年，美国等多国签署《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳安排》，将金属基复合材料及钛合金生产技术列为出口限制。

为早日达成空天强国建设的新使命，亟须开发低成本、高性能、技术自主可控的耐热高强钛基复合材料。上海交通大学金属基复合材料全国重点实验室钛合金与钛基复合材料课题组（简称课题组）历经20余年攻关，成功研制出新型耐热高强钛基复合材料，突破国际封锁，实现关键核心技术自主可控，为我国航空航天装备在高温极端环境下稳定运行提供了坚实支撑。

类似于细胞培养技术，材料的加工亦需“先天基因+后天培养”协同。以往研究多从“后天培养”入手，采用外加法制备钛基复合材料，但这种方式成本高、界面结合差、反应严重、成材率低。

若从“先天基因”入手，并辅以后续加工，可实现性能的整体优化。课题组创新性地提出钛熔体与反应剂原位自生增强体的学术思想与技术原型，揭示液态复合体系中增强体的晶体结构与形核生长规律，建立了原位增强体尺寸与形态控制理论，突破了原位增强体可控生成的关键难题。该方法通过复合化显著提升传统钛合金的性能，拓展其在航空航天领域的应用。

针对单一增强体系强塑性匹配不足的劣势，课题组进一步阐明原位增强体与基体的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，建立晶须偏轴与多元耦合强化模型，揭示其协同强化机制及尺寸效应规律，成功研制出新一代轻质耐热高强（600~800℃）钛基复合材料，其综合性能达到国内领先、国际先进水平。

03.

攻克复杂构件的精密成形难题

颗粒增强钛基复合材料硬度高、弹性模量大、加工硬化严重，因此，传统方法难以实现对它的精密成形。制备过程需要能确保力学与耐高温性能稳定的精控工艺。课题组发现，增强体可诱发界面微区动态再结晶，形成细晶以协同塑性流动，进而提出多相协同与精密成形的统一判据，发展动态再结晶诱发大塑性加工技术，突破可加工性控制关键难题，实现颗粒增强钛基复合材料的高精度成形制造工艺。

新一代轻质耐热高强钛基复合材料吨级锭坯

04.

突破应用技术瓶颈

课题组承担国家部委、上海市、国际合作及校企合作等科研任务。其制备的耐热高强钛基复合材料已在空天及重大装备中实现了千余套构件工程化应用，取得显著经济与社会效益：在民用大型能源化工装备领域，已成功应用于离心式压缩机叶轮，填补了650℃轻质材料的空白，使叶轮线速度提升40%、压缩比提升33.3%，装机功率达2兆瓦，年节能8%；在空天飞行器领域，服役于800℃复杂应力环境，实现结构减重15%、转动惯量降低36.4%，显著提升机动性与射程；在特殊高强高模构件中，累计供货3 000余件，代钢实现减重40%。

耐热高强钛基复合材料的典型构件

正如我国航天事业的发展历程一样，钛基复合材料的自主创新研究也经历了从无到有、从弱到强的跨越。课题组在钛基复合材料领域深耕20余年，已获中国发明专利26项，制定企业标准5项，发表SCI论文百余篇，建立国内领先的产业化基地，实现吨级钛基复合材料的稳定生产，打破国际技术封锁与禁运，为国家安全与高科技发展提供坚实支撑。

王昊，上海交通大学材料学院博士研究生，研究方向为钛基复合材料的组织调控与高温强化机制。

赵晨露，上海交通大学材料学院博士研究生，研究方向为钛基复合材料超塑成形。

蒲秉真，上海交通大学材料学院博士研究生，研究方向为耐高温钛基复合材料扩散连接。

*本文刊登于《科学画报》2025年第12期，更多相关内容欢迎订阅。

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