中國大火箭核心部件攻關(guān)記——鈦合金粉末近凈成形技術(shù)

前不久，我國近地軌道運載能力*大的火箭——長征五號B首飛成功，舉世矚目。鮮為人知的是，在這枚中國火箭強大的“心臟”中，有一個至關(guān)重要的核心部件——氫泵渦輪，由我國科研團隊歷時多年研制而成，書寫了又一個科研冷板凳上的攻關(guān)故事。

氫泵渦輪項目負責人、中國科學院金屬研究所鈦合金研究部主任楊銳在接受中青報·中青網(wǎng)記者采訪時說，氫泵渦輪的作用是將火箭體內(nèi)大量液氫燃料高速輸送到發(fā)動機燃燒室，與液氧混合燃燒產(chǎn)生推力。若該部件出現(xiàn)問題，火箭會瞬時因失去動力而墜落，其重要性可見一斑。

楊銳帶領(lǐng)的科研團隊歷時多年攻克了鈦合金粉末近凈成形技術(shù)，2016年長征五號家族的“胖五”*發(fā)射就開始應(yīng)用，并一直沿用至今。

起步階段，有想法缺經(jīng)費

2000年至2005年期間，在國家有關(guān)部門的支持下，中科院金屬所鈦合金研究部建設(shè)了國內(nèi)*臺鈦合金潔凈霧化制粉設(shè)備。

“按原計劃，這臺設(shè)備是用于研制航空發(fā)動機部件，但這個想法在當時太超前，國內(nèi)沒有需求和經(jīng)費支持渠道�！睏钿J說。于是，他不得不尋求國際合作經(jīng)費支持。

2006年，楊銳所在的中科院金屬所與歐洲的研究機構(gòu)聯(lián)合申請歐盟第六框架計劃下的中歐航空合作項目“鈦合金粉末近凈成形”，盡管合作項目*終未獲批準，但學術(shù)交流持續(xù)開展了下來。

兩年后，楊銳仍清晰地記得這個時間——2008年2月，在美國圣地亞哥舉行的高溫結(jié)構(gòu)金屬間化合物國際會議，楊銳是會議4名主席之一，卻因未及時拿到簽證沒能與會。直到會議結(jié)束后的第3個月，他才拿到簽證，這時正好趕上同年5月在美國加州長灘舉行的第六屆國際熱等靜壓學術(shù)會議。

在這次會上，兩篇關(guān)于鈦合金粉末熱等靜壓研究的報告引起了他的注意。這兩篇報告都是關(guān)于制備火箭氫氧發(fā)動機的氫泵渦輪的：一篇來自俄羅斯莫斯科化學加工研究所，研究關(guān)于如何提高粉末鈦合金性能；另一篇來自日本金屬技術(shù)公司，是模擬粉末的熱等靜壓成形過程的。

聽完這兩篇報告，楊銳眼睛一亮，“這不正是自己兩年來苦苦尋找的鈦合金粉末的應(yīng)用出口嗎？”

事實上，在基礎(chǔ)研究或應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，科學家參與學術(shù)會議，進行學術(shù)交流，發(fā)表學術(shù)論文，是這些人類“*聰明的頭腦”交流思想、碰撞火花的慣例，不少偉大的靈感或科學合作，誕生于公開的學術(shù)討論之中。這一次，是楊銳趕上了。

條件具備后，人成了*關(guān)鍵的因素

巧合的是，3個月后，長征五號氫氧發(fā)動機的氫泵渦輪作為配套項目正式發(fā)布。楊銳記得，他們上報項目申請書的時間點是“2008年10月31日”。

“那時，已經(jīng)有兩家單位研究了一段時間，但進展并不理想，總體單位為確保氫氧發(fā)動機的研制進度，將這個攻關(guān)任務(wù)提出來公開招標�！睏钿J說。

留給楊銳準備項目答辯的時間非常緊張——只有一個多月，科研團隊面臨的短板是，“沒有任何前期工作基礎(chǔ)”。

“科研攻關(guān)和打仗一樣，沒有準備、毫無把握地上陣，是兵家大忌�！睏钿J告訴記者，他當時所能做的就是緊急召集團隊成員制定對策，立即啟動研究，希望在項目答辯前掌握關(guān)鍵數(shù)據(jù)，支撐研究方案。

值得一提的是，就是在這次會上，楊銳讓一個年輕人挑了大梁，他指定了剛獲得博士學位兩年的徐磊作為研究骨干。

“在科研條件具備之后，人成了*關(guān)鍵的因素。”楊銳告訴記者，2002年，在粉末設(shè)備建設(shè)期間，他招收了博士研究生徐磊，作為開展鈦合金潔凈粉末冶金研究的儲備人才。

剛開始這位年輕人的研究之路并不順利——因為設(shè)備缺乏合乎要求的安裝場地，重新建房花了3年多時間，這意味著，徐磊在中科院金屬所攻讀博士研究生期間，一直沒有獲得質(zhì)量合格的粉末。

徐磊告訴記者，整個研究磕磕碰碰，不盡理想，一直到他博士畢業(yè)答辯，設(shè)備也沒安裝好。2007年畢業(yè)，他不得不到南京找了一家汽車公司工作。

一年后，設(shè)備安裝成功的消息傳來，徐磊立即辭職回到中科院金屬所，“我只有一個念頭，是時候繼續(xù)我當初想做而未能做成的研究工作了！”

“藝高人膽大”

氫泵渦輪在零下253攝氏度高速旋轉(zhuǎn)工作，承受巨大載荷，粉末冶金制備的鈦合金材料性能，能否滿足應(yīng)用要求，是項目面臨的*個挑戰(zhàn)。

楊銳告訴記者，那段時間，他和團隊成員加班加點工作，在短時間內(nèi)完成了母合金、電極、制粉、包套、熱等靜壓、樣品加工、性能測試全過程，并通過反復試驗優(yōu)化參數(shù)。

“這個過程中，大家的齊心協(xié)力和相互配合至關(guān)重要�！睏钿J說，研究部副主任劉羽寅、研究員雷家峰等分頭安排落實，對工作按計劃進度完成也起到了重要保障作用。

這其中，低溫力學性能測試環(huán)境苛刻，要求很高，當時全國只有中科院理化技術(shù)研究所低溫中心具有相關(guān)條件和資質(zhì)，該中心負責人李來鳳曾在金屬所獲得碩士學位，他一接到請求即全力協(xié)調(diào)加班測試。

“這些，都給我們團隊及時獲得性能數(shù)據(jù)，提供了極大的幫助�！睏钿J說。

測試結(jié)果表明，制備的粉末合金性能穩(wěn)定地高于技術(shù)指標要求，良好的開局給予了團隊極大的鼓舞。

楊銳告訴記者，當時有4個團隊參加項目競爭，但答辯的時候兩個團隊臨時撤出，*終他所在的科研團隊以較扎實的工作基礎(chǔ)和詳盡的研究方案勝出。

盡管拿到了項目，但楊銳團隊*次開展粉末冶金部件研究，公開文獻上只見大致輪廓和*終結(jié)果，對關(guān)鍵技術(shù)和工藝過程只字不提，研制難度可想而知。

“這個項目名義上的研究周期是5年，但用戶需要盡快開展一系列試驗，而手上無試驗件可用，正‘等米下鍋’，因此溝通時對進度要求很緊�！睏钿J說。

據(jù)他介紹，氫泵渦輪屬于閉合空腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無法進行機加工，對成形后的尺寸精度要求很高，而粉末致密化時體積收縮高達30%，控制復雜形狀輪廓尺寸的難度極大——這是項目遇到的*大技術(shù)障礙，如果完全依靠一輪一輪反復實驗優(yōu)化尺寸，成本極高，且時間上不允許。

那時，楊銳正作為首席科學家承擔材料計算設(shè)計的一個“973”項目，團隊在材料計算模擬方面有較好積累。

徐磊告訴記者，在著手部件成形試驗之前，他和科研團隊開展了大量的模擬計算，這對包套優(yōu)化設(shè)計和快速逼近理論尺寸起到了至關(guān)重要的作用，有效減少了必需的實驗驗證輪次。這也讓大幅度壓縮研制周期成為可能。

徐磊說，渦輪的空腔是靠放置內(nèi)部型芯實現(xiàn)的，若采用硬質(zhì)型芯，雖然有利于高溫成形時控制尺寸，但冷卻時易將部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)撐裂。若采用軟質(zhì)型芯，雖然可避免裂紋，但尺寸控制難上加難。

“所謂‘藝高人膽大’，這時候就體現(xiàn)出來了�！毙炖谡f，科研團隊由于掌握了計算模擬成形過程的關(guān)鍵技術(shù)，他們對尺寸控制的能力顯著增強，于是便采用了軟質(zhì)型芯方案，成功解決了尺寸精度與成形開裂的矛盾。

*終，他們攻克了相關(guān)核心技術(shù)難題。

時任國家973計劃顧問專家組組長周光召院士在聽取了項目進展與成果匯報后，認為該項目在強化原理性研究基礎(chǔ)上，發(fā)揮計算模擬指導作用，攻克了重大技術(shù)難關(guān)，具有示范意義。

經(jīng)他親自推薦，攻關(guān)團隊負責人楊銳獲2010年度周光召基金會應(yīng)用科學獎。

2016年，長征五號火箭首飛后，2017年4月攻關(guān)團隊獲五部委“長征五號運載火箭*飛行任務(wù)突出貢獻”團隊獎，徐磊獲“長征五號運載火箭*飛行任務(wù)突出貢獻”個人獎。

“這不只是我們個人努力的結(jié)果，背后一代又一代人的積累不可或缺。”楊銳說，他以渦輪去除型芯所采用的選擇性腐蝕技術(shù)為例，中科院金屬所腐蝕科學與技術(shù)實力享譽世界。得益于這種多學科綜合實力，科研團隊才能很快解決這個難題，并在董俊華研究員等人的幫助下優(yōu)化方案，縮短了核心部件的制造周期。

在攻克這些核心技術(shù)難題的基礎(chǔ)上，楊銳帶領(lǐng)團隊在一年半內(nèi)制造出了合格的氫泵渦輪樣件，為氫氧發(fā)動機研制提供了有力支撐。

后來的故事，很多人都知道，中國又一枚大火箭奔向蒼穹，而火箭發(fā)射幕后的，包括楊銳在內(nèi)的基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用基礎(chǔ)研究的科研人員，則又坐回了冷板凳，開始下一個攻關(guān)。

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