5月5日,我國長征五號B運(yùn)載火箭首飛成功,其近地軌道運(yùn)載能力大于22噸,是目前我國近地軌道運(yùn)載能力最大的火箭。
在長征五號B運(yùn)載火箭強(qiáng)大的心臟中有一個核心部件——氫泵渦輪,由中國科學(xué)院金屬研究所(以下簡稱金屬所)科研團(tuán)隊(duì)研制而成。
金屬所該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、鈦合金研究部主任楊銳帶領(lǐng)的這支科研團(tuán)隊(duì)攻克了鈦合金粉末近凈成形技術(shù),并從2016年開始應(yīng)用于長征五號首次發(fā)射,一直沿用至今。
找到應(yīng)用出口
“氫泵渦輪的作用是將火箭體內(nèi)的大量液氫燃料高速輸送到發(fā)動機(jī)燃燒室,與液氧混合燃燒產(chǎn)生推力。”楊銳告訴筆者,“若氫泵渦輪出現(xiàn)問題,火箭會瞬時因失去動力墜落。”
2000年~2005年間,在國家有關(guān)部門支持下,金屬所鈦合金研究部從國外引進(jìn)建設(shè)了國內(nèi)第一臺鈦合金潔凈霧化制粉設(shè)備。楊銳說:“原計(jì)劃用于研制航空發(fā)動機(jī)部件,但當(dāng)時這個想法太超前,國內(nèi)沒有需求和經(jīng)費(fèi)支持渠道。”
為此,楊銳不得不尋求國際合作經(jīng)費(fèi)支持。2006年,金屬所與歐洲的研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合申請歐盟第六框架計(jì)劃下的中歐航空合作項(xiàng)目“鈦合金粉末近凈成形”,盡管合作項(xiàng)目未獲批準(zhǔn),但學(xué)術(shù)交流持續(xù)開展了下來。
2008年2月在美國圣地亞哥召開的高溫結(jié)構(gòu)金屬間化合物國際會議,楊銳是會議的4名主席之一,卻因未及時拿到簽證無法參加,直到會議結(jié)束后3個月他才拿到簽證,剛好趕上5月的第六屆國際熱等靜壓學(xué)術(shù)會議在美國加州長灘召開。
會上,兩篇關(guān)于鈦合金粉末熱等靜壓研究的報告引起了楊銳的注意,這兩篇報道都是關(guān)于制備火箭氫氧發(fā)動機(jī)的氫泵渦輪的:一篇來自俄羅斯莫斯科化學(xué)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,這正是自己兩年來苦苦尋找的鈦合金粉末的應(yīng)用出口。
立即辭職回所
2008年8月,長征五號氫氧發(fā)動機(jī)的氫泵渦輪作為配套項(xiàng)目正式發(fā)布。“當(dāng)時己有兩家單位就此展開研究了一段時間,但進(jìn)展不理想,總體單位為確保氫氧發(fā)動機(jī)研制進(jìn)度將這個攻關(guān)任務(wù)提出來公開招標(biāo)。”楊銳清楚記得,上報項(xiàng)目申請書的時間截點(diǎn)是2008年10月31日。
“準(zhǔn)備項(xiàng)目答辯的時間很緊,只有一個多月,團(tuán)隊(duì)面臨的短板是沒有任何前期工作基礎(chǔ)。”楊銳告訴筆者,“科研攻關(guān)和打仗一樣,沒有準(zhǔn)備、毫無把握地上陣,是兵家大忌。”
為此,楊銳緊急召集團(tuán)隊(duì)成員制定對策,立即啟動研究,希望在項(xiàng)目答辯前掌握關(guān)鍵數(shù)據(jù),支撐研究方案,并指定當(dāng)年博士剛畢業(yè)兩年的徐磊作為研究骨干。
科研條件具備之后,人是最關(guān)鍵的因素。2002年,在粉末設(shè)備建設(shè)期間,楊銳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。因設(shè)備缺乏合乎要求的安裝場地,重新建房花了3年多時間,徐磊在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。
“整個研究磕磕絆絆,不盡理想,直到博士畢業(yè)答辯,設(shè)備也沒安裝好。”徐磊告訴筆者,2007年,他博士畢業(yè)后在南京福特汽車公司找了一份工作。
一年后,當(dāng)徐磊聽說設(shè)備終于安裝好了,立即辭職回到金屬所繼續(xù)該方向研究工作,可謂初心不改。
氫泵渦輪在零下253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(xiàng)目面臨的第一個挑戰(zhàn)。
楊銳帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)加班加點(diǎn)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(fù)試驗(yàn)優(yōu)化參數(shù),研究部副主任劉羽寅、研究員雷家峰等緊急分頭安排落實(shí),對工作按計(jì)劃進(jìn)度完成也起到了重要保障作用。
低溫力學(xué)性能測試環(huán)境苛刻,要求很高,當(dāng)時全國只有中科學(xué)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(fù)責(zé)人李來鳳曾在金屬所獲得碩士學(xué)位,他一接到請求即全力協(xié)調(diào)加班測試,對團(tuán)隊(duì)及時獲得性能數(shù)據(jù)提供了極大的幫助。
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(biāo)要求,良好的開局給予團(tuán)隊(duì)極大鼓舞。楊銳說:“當(dāng)時有4個團(tuán)隊(duì)參加項(xiàng)目競爭,但答辯的時候兩個團(tuán)隊(duì)臨時撤出,最終我們以較扎實(shí)的工作基礎(chǔ)和詳盡具體的研究方案勝出。”
藝高人膽大
雖然拿到了項(xiàng)目,但楊銳團(tuán)隊(duì)第一次開展粉末冶金部件研究。“文獻(xiàn)上只見大致輪廓和最終結(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。”
“該項(xiàng)目名義上研究周期是5年,但用戶需要盡快開展一系列試驗(yàn),而手上無試驗(yàn)件可用,正‘等米下鍋’,因此溝通時對進(jìn)度要求很緊。”楊銳表示,氫泵渦輪屬于閉合空腔結(jié)構(gòu),內(nèi)部無法進(jìn)行機(jī)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(dá)30%,控制復(fù)雜形狀輪廓尺寸的難度極大。“這是項(xiàng)目遇到的最大技術(shù)障礙,如果完全依靠一輪一輪反復(fù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化尺寸,成本極高,且時間上不允許。”
當(dāng)時,楊銳正作為首席科學(xué)家承擔(dān)材料計(jì)算設(shè)計(jì)的一個“973”項(xiàng)目,團(tuán)隊(duì)在材料計(jì)算模擬方面有較好積累。在著手部件成形試驗(yàn)之前,徐磊開展了大量的模擬計(jì)算,這對包套優(yōu)化設(shè)計(jì)和快速逼近理論尺寸起到了致關(guān)重要的作用,有效減少了必需的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證輪次,使大幅度壓縮研制周期成為可能。
渦輪的空腔是靠放置內(nèi)部型芯實(shí)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。
由于楊銳團(tuán)隊(duì)掌握了計(jì)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(qiáng),所謂“藝高人膽大”,楊銳團(tuán)隊(duì)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。
此外,渦輪去除型芯需要采用選擇性腐蝕技術(shù),金屬所腐蝕科學(xué)與技術(shù)有深厚的積淀,團(tuán)隊(duì)很快就解決了這個難題,并在研究員董俊華等人的幫助下優(yōu)化了方案,縮短了部件制造周期。
在攻克上述多項(xiàng)技術(shù)難題基礎(chǔ)上,金屬所團(tuán)隊(duì)在一年半時間內(nèi)制造出了合格的氫泵渦輪樣件,為氫氧發(fā)動機(jī)研制提供了有力支撐。