赵院士讲话

赵院士讲话：大家下午好，我也很高兴有机会跟大家来讨论一下关于装配制造的事，刚才听了大家的一些报告，特别是有关领导的一些报告，也是很受启发，我今天想跟大家说的呢是关于抗疲劳制造和长寿命关键构件的产业化，核心是关于抗疲劳制造技术的研究创新，还有长寿命关键构件的产业竞争，我所谓的产业竞争不是在国内竞争，而是跟国外竞争，所以我把这些情况跟大家做一个汇报。由于时间关系，我挑几个跟大家说一下。大家知道，我们中央提出了中国梦，中国梦的核心是工业的现代化，工业现代化的基础和支柱是机械制造，机械制造的领跑者是高端装备的制造。而在高端装备制造里边的核心和关键是它的关键构件，那么，什么是关键构件？在这里我四句话下了一个定义，总结一句话就是：它是疲劳失效的主承力件，叫做关键构件。右边把它分作三类：一类是转动件。盘，叶片还有轴，这些都是转动件。第二大类是传动件，齿轮，轴承。第三类是除了这两类之外的主承力件，比如说对接螺栓，主承力的弹簧，主承力的接头，飞机的起落架等等。我们把它分了这么三类。为什么说它是关键件呢，我给大家打了几张照片，这张是飞机失事了，去检查去分析，他的发动机当然坏掉了，分析它的原因是什么呢。比方说某一个型号，飞机摔了，发动机坏了，查到的原因是发动机的主轴承失效了。还有一个型号也是飞机摔了，发动机坏了，最后找到的原因是涡轮叶片断了，可见，飞机的失事或者是发动机打坏了，并不是因为飞机的设计不好，也不是因为发动机的结构出现了什么毛病，就是它的关键构件失效了，那么这一个关键构件，主轴承或者是叶片失效了，看起来并不起眼的那么一个件，导致的结果确是飞机和发动机的功能，它的经济可承受性，甚至包括它的信誉，什么都没有了。那么这几张照片说的是左上边是飞机的空中解体，飞机正飞呢解体了。右上边的是客车出轨了，左下边是高的塔吊突然倒塌下来了，右下边是游乐园的儿童游乐车，突然就毁坏掉了，这几个都是一个原因，都是因为一个件，就是对接螺栓，对接螺栓的失效使这些机械全都没了，就这么一个对接螺栓的失效使得这些机械装备的功能，他的经济可承受性，甚至包括他的信度，也都全都没有了。所以我们才说这些件是关键件。现在或者长期以来，我们中国的关键件，我把它起了一个名字叫做三大问题。三大问题就是寿命短，可靠性差，和结构重。这三大问题带来了我们国家几乎所有的高端机械都受到了牵连。包括飞机、发动机，包括风电，包括高速列车，包括汽车，也包括汽轮机，燃气轮机等等。现在关键构件的问题使得我们国家遇到了很大的难题。我不知道说的对或者不对，尤其是我们的机关领导可能比我了解的情况更多一些，我的感觉或者我所进行的工作所知道的，大概是从2009年开始，也就是金融风暴从美国传染到中国之后，一直到现在，我们国家机械制造业的转型升级的问题，一直就没得到解决。我在电视上看见，温家宝总理曾经专门主持过两次国务会议，讨论关键件的问题，一直到现在，中国机械制造业的转型说法太多了，我听了以后觉得很离奇，说到这里，我觉得我们的国家机械制造业的转型为什么会变成这么大的问题呢？我的看法就是，我们到底要转型什么呢，是要转型高端机械装备的制造，我们现在是处于低端的，了不得算一个中端的，要转型为高端制造的话，我们没有关键件，没有关键件谈什么高端机械装备，我们要做关键件的制造的话，我们没有关键构件的制造技术，所以这两个问题往那里一放，我们现在就变成了整个国家处于一个机械装备制造业的转型的积重难返，或者说无异于一个无米之炊，就是没有关键件，谈什么装备，所以就变成这样了，所以我们现在的问题就变成一个很重要的问题：如何来破解我们国家机械装备的升级转型问题，我对这个问题的回答是我们可能要聚焦到抗疲劳制造和关键构件的长寿命，那么抗疲劳制造是什么意思呢？我们看一下机械制造技术的发展，我把它笼统的说了三代，第一代就叫做成型制造，第二代叫做表面完整性制造，第三代叫做抗疲劳制造。我们国家长期以来，一直到现在为止，基本上处于一个成型制造，大家现在所做的构件，所用的技术统统可以归结为成型制造，就是因为成型制造才带来了我们国家关键件的三大问题，就是成型制造拖累了我们国家，使得关键构件不得不依赖进口，关键技术不得不受制于人，同时也拖累了我们国家，尽管我们是一个世界第二大经济体，我们也是一个机械制造的大国，但是，我们却处于一个中低端制造，而且是处于竞争的弱势，那么刚才所说的成型制造，谁处于成型制造谁就处于我刚才所说的那个状态，历史上以及今天的发达国家也是一样的，我觉得美国人有点先知先觉，美国人为了改变我们中国现在这个样子，那个时候他们也是这个样子，为了改变这个状态，他是从1948年到1970年，花了20多年的时间，这是国家行为，国家引领，由美国的空军材料实验室来操办，做了二十多年的研究，最后就形成了一个表面完整性制造，作为表面完整性制造的结果是什么？大家都知道这些先进的技术首先是在军方用的，然后才转到民用，美国的三代战机，比如大家知道的，F16、F15，三代战机是什么时候制造出来的呢？大概是70年代的末期，也就是在制造技术实现了表面完整性制造之后，接着出来的就是三大战机，三大战机有什么变化呢？它就是从几百个小时的飞行寿命一下提升到5000个小时，在全世界是最高的。接着西方这些发达的国家都发展了表面完整性的制造，所以整个世界的制造技术，就进入了表面完整性制造的时代，这个时代的特点是关键构件的寿命大幅度的提高。而且，借着这个关键构件的优势，它就垄断了高端机械装备的制造，一直到现在。什么是抗疲劳制造呢？这个技术的特点就是：成型制造就是图纸怎么设计，我就怎么制造，制造完了零件上的指标达到图纸要求了，制造就完成了，问题是它和制造出来的构件的性能没有挂钩，大家体会一下我们现在的制造，你给我图纸是什么，我就照着图纸做，至于做完了之后，性能怎么样不要来找我，谁设计的你找谁；接着下来就是表面完整性制造，表面完整性就不一样了，之所以会出现表面完整性制造，就是因为要把制造的技术和制造出来产品的性能挂钩，也就是说，它的主要失效模式是疲劳，也就是要体现在关键构件的寿命提高上，所以表面完整性带来的结果是疲劳寿命的提高。在研究过程中，发现一个问题就是表面完整性制造确实可以提高寿命，但却不能保证说，我设计出来是什么，一定能保证什么。那比方说设计要求的是2000小时，但能不能保证2000小时，在这里边有问题，所以我们才出来了一个抗疲劳制造，差别在哪呢？抗疲劳制造除了表面完整性要求的表面完整性，这是表面完整性的一个跟成形制造的最根本的区别。但我们的抗疲劳制造跟表面完整性制造又多了什么呢，就是除了保证这个之外，还要保证一个变质层。如果把这两个都保证了，才保证了关键构件的寿命。这是跟表面完整性不一样的地方。所以我才说，整个制造技术就从成形制造发展到了表面完整性制造，表面完整性制造又发展到了抗疲劳制造。不停地在创新，不停地在发展，不停地在进步，进步到现在的抗疲劳制造的情况。抗疲劳制造里边包括了什么内容呢？一共有四个部分，第一个部分是自身的抗疲劳制造的技术体系，我在这里列了一些项目，所谓这些项目全都要后面加上体系，什么意思呢，技术体系是生产力。我听大家的发言知道大家都有很多的技术创新。你看一下你创新的技术是不是形成了技术体系，如果没有形成技术体系，你会留下一大堆问题，将来再遇到可能都不好解决了，所以，一定要形成一个技术体系。所有这些技术体系又构成了抗疲劳制造的技术体系。除了这个之外，这些构件的载体是材料。所以一定要给相关材料的技术体系提供保证。材料保证的是什么呢？如果我们现在做的成形制造寿命是不长的，这个时候，你对材料没有太多的要求。一旦要做成长寿命的，要小心材料了，这时不是所有的材料都能保证的，这个材料一定是高纯材料，没有高纯材料，就不可能做成长寿命，我打个比方，材料对制造出来的关键构件的寿命的影响就像一个门槛一样，不过门槛，你就永远做不成一个长寿命的关键构件。这就是材料在里边的作用。当然，所有的构件都离不开设计，设计是零件制造的根本。所以设计一定要保证设计的构件计算出来的就是长寿命的。如果设计的结构本身就不是长寿命的，那制造出来的肯定不是长寿命的，所以设计是一个重要的相关技术体系。最后第四个就是环境策略，就是青山绿水，我们不能把我们的事遗留给我们的子孙后代一些后患。所以整个的抗疲劳制造的体系大概就是这些有关的内容。那么抗疲劳制造的功效是什么呢？关键构件要达到什么水平呢？我把我们过去做的东西给大家说一下。这些主承力的构件可以说走到了长寿命，我一辈子大概就做了这三个件。做的这三个件，第一个是不锈钢，航空发动机的压气机的叶片、盘子和轴颈。就是说整个转子都是这个材料做的。这个关键构件做完之后大概是从1973年批量生产去服役使用的，一直到现在没有返回来任何故障。第二个是中温的超高强度钢，1800MPa以上的超高强度钢，拿来是做飞机后机身的主承力框，这个主承力框大概是从1985年批量生产去服役的，到现在也没有返回故障。第三个是做飞机起落架，也是超高强度钢，飞机上所有的起落架的件全部是这个材料做的，从1991年批量生产服役的，到现在20多年也是没有返回一个故障。这既是你看到的应该说做到了长寿命的关键构件。下面这个例子不是我做的，是我团队里边另外一个同事做的，他做的是一个机翼的主梁，这个机翼的主梁现在就是过去歼6飞机使用的，这个机翼主梁设计寿命是2000飞行小时，但是飞行了1400小时以后有50%的主梁就开始裂纹了，导致我们国家3000架飞机停在停机坪上不许起飞，因为起飞了之后可能失事，所以就下来排故，排故就用了抗疲劳制造的方法，做完了之后疲劳寿命就大幅度的提上去了，改了之后一直到歼6飞机退役再也没有出现重复的故障。右面这个是从法国进口的超航空直升机，进口时法国人保证的百万分之一的故障率，保证的安全寿命是185个小时，但是在服役过程里边没有达到，在服役期间就有裂纹了，也是回来我们做了关于的抗疲劳制造放上去，一直到现在还没有再出现重复故障。这里大家也可以看到，西方国家包括法国，用的是表面完整性制造，但是没有达到他们给我们的保证。那个技术本身存在先天性的缺陷，就是说不能个个都保证，这就是表面完整性制造的问题。接下来就是起落架的事，我刚才说了，大概我们国家的3个部委12个院校一起做了13年，做了中国的飞机的起落架。原来设计的飞机飞行寿命是3000飞行小时，那么飞机起落架的服役寿命大概也就是百八十个小时，了不得也就是两三百个小时，但是短的呢，可以做到几十个小时，在这就是不稳定。没有起落架飞机是飞不起来的，我们国家就非常伤脑筋这个事情。从1965一直到1990年，这25年里从来没有达到世界寿命，后来做完之后就把起落架拿来做疲劳，疲劳做下来第一次就达到3000飞行小时，这是我们国家第一次飞机起落架跟设计说明一致。但是它没失效，没失效接着我们就把它做到了5000飞行小时，5000飞行小时也没失效，5000飞行小时是世界最高寿命起落架（F15/F16的起落架），后来再继续往下走，由于继续往下走时间太长，我们就采用加高载荷，把载荷提高30%，又做了1000小时，就做到了6000飞行小时，还是没有失效，所以做了3年半的疲劳，这个起落架都没有做失效，我们从1991年就开始装飞机使用了，现在我们国家所有的先进的飞机起落架都是用的这个，所以就说我们看到用了抗疲劳制造技术后我们的起落架就做到了长寿命，而且达到了或者说超过了美国的F15、F16的起落架的性能的水平，这是我们已经走过的，这几年我也一直做这个研究，研究下来的结果是什么样的呢，我也给大家说一下，一个就是属于传动构件，传动构件我这次做的是涡轮盘，使用涡轮盘的高温合金来做实验，用了这些技术做完实验之后，无论从室温还是到它的高温，它的疲劳寿命大概提高100倍以上，为什么说是100倍以上呢，因为做下来的疲劳曲线载荷不相接了，所以没办法说具体是多少，但是肯定是在100倍以上。第二个是关于传动构件的，就是关于弯曲疲劳和接触疲劳，我们大家都知道齿轮是有弯曲疲劳和接触疲劳，轴承只有接触疲劳，大概寿命也会提高100倍，这个数据是外国人做的，我做出来的比他的可能还要好一点，这个是属于齿