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发布时间：2022-02-23
申 娜
随着全球国防科技工业的快速发展，对先进航空航天飞行器高强度、轻质化、长寿命和耐高温等结构的要求越来越高，各国纷纷大力开发高性能轻量化结构，其中对空间飞行器重量的“敏感度”已进入“克克计较”的时代。有一句广为流传的话：“卫星重量减少一克，等于节约了一克黄金！”这意味着轻量化整体构件成形技术在航空装备制造中的地位和作用越来越突出。
来自哈尔滨工业大学材料科学与工程学院的研究员蒋少松多年来针对航空航天领域减重的迫切需求，开展新型超轻及轻合金超塑性变形理论研究，在轻量化结构超塑成形/连接一体化协调变形机理研究等方面收获了诸多创新成就。
在“中国制造2025”行动纲领的指导下，中国正在从制造大国升级为制造强国。其中航空航天产业的发展程度，最能体现和检验一国制造工艺和制造水平。能为我国重点型号飞行器研制与批产作出自己的贡献，是蒋少松过去、现在以及未来永恒的理想与目标。
走入处处皆材料的世界
1996年，蒋少松考入哈尔滨工业大学材料科学与工程学院焊接专业，拉开了自己与材料结缘的序幕。谈到当初的选择，蒋少松说：“放眼望去，我们的生活环境里到处都是材料，有木头的、金属的、塑料的、陶瓷的，我就觉得材料的涉及面非常广，所以产生了不小的兴趣，想更加深入地去了解材料。”彼时，蒋少松还不知道，在不久后的将来，他会与航空航天领域产生千丝万缕的联系。
进入大学后，蒋少松开始学习各种各样的材料方面的知识。什么是金属？它为什么是金属？为什么金属能发光？为什么金属具有延展性？为什么金属能变形而陶瓷不能……这些基础的知识，蒋少松学得津津有味。4年的时间里，蒋少松掌握了丰富的知识，他对材料的认识深刻了很多，但同时他也意识到自己还有很多的不足，他要继续向下一个阶段迈进。
2001年的秋天，蒋少松成为哈尔滨工业大学的硕士研究生。同年，蒋少松进入了导师张凯锋教授的课题组。他跟随导师的研究方向，主攻AZ31镁合金的热拉深性能研究。通过这段时间的研究，蒋少松发现镁合金板材可在高温下一次拉深成形相当复杂的工件，具有诸多优点：成形时间短，成形后工件尺寸偏差比冷成形的小得多，力学性能也不会下降。“当时我们拉出了一个国内甚至是国际上的大高径比的镁合金工件。”蒋少松颇为自豪地说。也正是由于长时间地对镁合金进行拉深变形，让他对变形方法有了更多的认识：变形方法是一种非常重要的方法，是很有可能突破现有材料，创新新材料的方法。后续，蒋少松继续跟随张凯锋教授攻读博士学位，开始了钛合金超塑成形精度控制的研究。“我读博士的时候，跟着老师参与国家课题的研究工作，主要接触的都是航天方面的项目。”
航天方面的项目，大多都涉及最终的生产制造。一个新的飞行器被设计出来之后，并不能马上投入生产，而是需要经过多方的调研，确定是否能制造出来。哈尔滨工业大学在这方面有着丰富的经验和优秀的学术水平，承担了许多航天方面的研究课题，而蒋少松的工作用一句话概括，就是把原材料变成复杂形状的零件。
话说起来很容易，但是纵观现在各种零件的造型已经不像以前那么简单，所以一旦零件变得复杂，材料成形的难度就会加大，成形的方法也需要及时更新。蒋少松主要负责研究的是航空航天领域的轻量化零件，在他读博的6年时间里，至少有一半时间是在工厂的车间度过的，他积累了大量的材料成形研究知识和经验。庞大繁杂的项目任务、精确的时间节点、严谨细致的零件生产，也成为他这段时间里最深刻的回忆。
2009的春天，蒋少松顺利取得博士学位，这是他在哈尔滨工业大学的第13个年头。出于对科学研究的热爱，蒋少松选择了继续留校任教，并同步开始了先进材料超塑成形理论、装备和应用技术的研究。也是从这个时候开始，国家每5年的重大规划成为蒋少松最关注的事情：了解其中材料的需求，开始计划自己能做什么，一步一步跟着国家的需求开展自己的研究……虽然如今身份发生了变化，他从当年的青涩学生成为独当一面的研究员，但为国家贡献力量的初衷却始终没有改变。
革新材料成形
蒋少松从博士开始就确定了今后的研究方向——先进材料超塑成形理论、装备和应用技术研究。什么是超塑成形呢？在中国古代民间的“吹糖人”艺术，小贩们用嘴把柔软的糖稀吹出千奇百怪的形状，让人为之惊叹。这种能够延展出各种形状的特性，在材料学领域被称为“超塑性”，可以说这是超塑成形的最早应用。
1920年，金属的超塑性被法国人罗森汉发现，Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时可以弯曲近180°而不出现裂纹，与普通晶体材料大不相同。40多年后，他在一篇具有划时代意义的文章《Zn-Al合金超塑性》中写道：“没有什么比能够将聚合物和玻璃成形技术应用到金属中进行成形而更使人惊叹的事情了。”金属超塑成形的序幕从此揭开。
100年后的今天，超塑成形技术最广泛的应用，是与扩散连接技术组合而成的超塑成形/扩散连接（SPF/DB）组合工艺技术——利用金属材料在一个温度区间内兼具超塑性与扩散连接性的特点，一次成形出带有空间夹层结构的整体构件。中国从20世纪70年代开始进行SPF/DB的基础性研究，先后开展典型结构件研制、模具选材实验、性能测试、质量控制和检测等研究工作，在国内开展超塑成形工艺研究和应用的单位主要包括北京航空制造工程研究所、哈尔滨工业大学、西北工业大学等。经过近50年的努力，我国SPF/DB的运用达到了一定的规模。在军民两用方面，使用超塑成形/扩散连接构件越来越多，构件的尺寸也越来越大，构件的结构也从单层、两层到复杂的三层、四层、五层结构等。尤其在航空航天领域得到广泛应用，获得良好的技术经济效益。
随着我国航空航天技术的深入发展，新一代高新装备进一步提高马赫数和增加飞行距离，在耐高温轻质材料与轻量化结构的双重减重方面提出了更高要求。在此背景下，以O相为基的新型Ti2AlNb合金在航空航天领域受到广泛重视，因其不仅具有优良的高温性能，可在700℃～800℃范围内长时间使用，而且密度远低于镍基高温合金，是高温合金和钛合金较为理想的替代材料，已成为目前最具潜力的航空航天高温结构材料之一。但目前Ti2AlNb合金的难成形性和变形协调性差等问题导致传统制造方法难以满足薄壁复杂构件成形要求，限制了Ti2AlNb合金的广泛应用。
为此，蒋少松申请到了国家自然科学基金面上项目“电流辅助Ti2AlNb合金多位加载柔性介质拉/胀复合超塑变形机制及电致多重效应研究”，开展相应研究。“我提出的电流辅助Ti2AlNb合金多位加载柔性介质拉/胀复合超塑成形技术，是一种可以控制板材变形顺序，法/切向力共同作用下的快速超塑成形新方法。”据蒋少松介绍，他通过电流的“焦耳热效应”和“电致多重效应”促进Ti2AlNb合金超塑性变形能力，通过固体柔性介质与板料间的摩擦特性在胀形基础上增加拉深变形（补料行为），并采用多位加载控制变形顺序（避免“愈薄愈变”现象），从而提高超塑变形速度和组织性能，属于材料性能提高和成形技术优化的双重创新。
除此之外，蒋少松还对Ti2A1Nb镂空结构展开了相应的研究，首次提出采用预制排列空位超塑成形的方法制造平面和曲面镂空结构。“现有塑性成形坯料均为完整板材或管材，所以这次采用预制空位板材进行复杂型面塑性成形，是一种新的塑性成形理念。我们引入的电流进行镂空结构高效率制造也是全新的方法，可突破金属间化合物薄壁复杂构件的难加工瓶颈，可解决难变形材料成形性能与使用性能的倒置问题。”蒋少松解释道。
值得一提的是，蒋少松的不少研究成果已在我国关键型号主要结构件成形中获得应用。他自主开发的新型超塑成形/激光连接一体化协调变形技术，实现部件减重30%。蒋少松自主开发的另一项超塑成形随温随动金双层中空结构一体化成形技术已成功应用于某先进飞行器。有了这些实际落地的研究成果，蒋少松有信心在新型超轻及轻合金超塑性变形理论研究方向上做得更好，走得更远。
面对未来新的思考
2020年，蒋少松申请的“基于预制空位的Ti2AlNb镂空结构电流辅助超塑变形机制研究”获得黑龙江省自然科学基金“杰出青年”项目。丰硕的成果和荣誉没有使蒋少松的脚步停下，他始终关注着我国“制造2025”行动纲领的目标，带领团队积极响应，将目光聚焦于高温钛合金、高强铝合金、耐热高强镁合金复杂薄壁中空轻量化结构成形的相关研究与利用，力求为我国的轻量化整体结构设计制造水平贡献自己的一份力量。
另外，身为哈尔滨工业大学的博士生导师，在培养科研新人方面，蒋少松也有他的使命感和责任感。面对学生时，他首先输送给学生的理念是，一定要在本科时期找到兴趣和热爱。“有一句话我觉得说得非常好，大学不是把瓶子塞满，而是把火焰点燃。就是说大学并不是教学生用知识把瓶子塞满，而是让学生点燃对学术的热情。”
其次，要尽全力地去学习。“大学的时候必须拼尽全力地去努力，知道自己的天花板在什么地方，如果能取得好的成绩，就可以建立起学习的自信，这很重要。”蒋少松认为，人如果没有自信，就很难有自我，就找不到最合适的研究方向，会走许多的弯路。
最后，要独立地思考。“我会给学生提供一个方向，希望他能够凭借自己的努力完成我的任务，即便只做到60分，我也觉得挺好的，因为他的独立思考能力开始萌芽了。”蒋少松会主动让学生参与到工艺设计中，即使研究过程中可能会造成浪费甚至重复，他都会不遗余力地鼓励学生动手设计。在他看来，虽然完成项目很重要，但是作为博士生导师，他更加注重学生自身的成长。
随着超塑成形技术的不断发展，蒋少松将继续充分发挥材料特点，提升我国轻量化整体结构设计制造水平，推动先进制造技术在军工和民用领域的发展应用。目前，蒋少松正在与国防企业开展密切的合作，开发了许多航空航天相关的产品。“航空航天的产品技术含量高，但是产品量小，所以未来我还是想研发出普通人都能用到的产品。”蒋少松十分羡慕那些面向普通人研发产品的技术人员，他想，如果有一天他能开发一个新产品，物美价廉，每个人都能使用上，他一定会发自内心地感到开心与满足。“人活一生，到底应该怎么度过，对我而言，我还是希望能做对国家有用的研究，研发对人民有用的产品，这是我做科研最大的意义。”
专家简介
蒋少松，1978年生，籍贯陕西户县。研究员，博士生导师，2020年获黑龙江省杰出青年基金1项；2020年获国防技术发明奖三等奖1项；2012年获黑龙江省自然科学奖二等奖1项。长期开展先进材料超塑成形理论、装备和应用技术研究。主持了国家自然科学基金项目4项，承担总装“十三五”和“十四五”预研项目、国防基础科研项目、04专项、重大工程项目等。重点开展高温钛合金、高强铝合金、耐热高强镁合金复杂薄壁中空轻量化结构成形理论与技术研究。目前发表SCI论文80余篇，EI论文30余篇，国家发明专利授权35项。
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