5月5日，我國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)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(guó)近地軌道運(yùn)載能力最大的火箭。
在長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭強(qiáng)大的心臟中有一個(gè)核心部件——氫泵渦輪，由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所（以下簡(jiǎn)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(kāi)始應(yīng)用于長(zhǎng)征五號(hào)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(dòng)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(wèn)題，火箭會(huì)瞬時(shí)因失去動(dòng)力墜落。”
2000年~2005年間，在國(guó)家有關(guān)部門支持下，金屬所鈦合金研究部從國(guó)外引進(jìn)建設(shè)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)鈦合金潔凈霧化制粉設(shè)備。楊銳說(shuō)：“原計(jì)劃用于研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件，但當(dāng)時(shí)這個(gè)想法太超前，國(guó)內(nèi)沒(méi)有需求和經(jīng)費(fèi)支持渠道。”
為此，楊銳不得不尋求國(guó)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(qǐng)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(kāi)展了下來(lái)。
2008年2月在美國(guó)圣地亞哥召開(kāi)的高溫結(jié)構(gòu)金屬間化合物國(guó)際會(huì)議，楊銳是會(huì)議的4名主席之一，卻因未及時(shí)拿到簽證無(wú)法參加，直到會(huì)議結(jié)束后3個(gè)月他才拿到簽證，剛好趕上5月的第六屆國(guó)際熱等靜壓學(xué)術(shù)會(huì)議在美國(guó)加州長(zhǎng)灘召開(kāi)。
會(huì)上，兩篇關(guān)于鈦合金粉末熱等靜壓研究的報(bào)告引起了楊銳的注意，這兩篇報(bào)道都是關(guān)于制備火箭氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的氫泵渦輪的：一篇來(lái)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(lái)自日本金屬技術(shù)公司，是模擬粉末的熱等靜壓成形過(guò)程的。
聽(tīng)完這兩篇報(bào)告，楊銳眼睛一亮，這正是自己兩年來(lái)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(zhǎng)征五號(hào)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的氫泵渦輪作為配套項(xiàng)目正式發(fā)布。“當(dāng)時(shí)己有兩家單位就此展開(kāi)研究了一段時(shí)間，但進(jìn)展不理想，總體單位為確保氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)度將這個(gè)攻關(guān)任務(wù)提出來(lái)公開(kāi)招標(biāo)。”楊銳清楚記得，上報(bào)項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)的時(shí)間截點(diǎn)是2008年10月31日。
“準(zhǔn)備項(xiàng)目答辯的時(shí)間很緊，只有一個(gè)多月，團(tuán)隊(duì)面臨的短板是沒(méi)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(méi)有準(zhǔn)備、毫無(wú)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(duì)策，立即啟動(dòng)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(kāi)展鈦合金潔凈粉末冶金研究的儲(chǔ)備人才。因設(shè)備缺乏合乎要求的安裝場(chǎng)地，重新建房花了3年多時(shí)間，徐磊在金屬所攻讀博士研究生期間一直沒(méi)有獲得質(zhì)量合格的粉末。
“整個(gè)研究磕磕絆絆，不盡理想，直到博士畢業(yè)答辯，設(shè)備也沒(méi)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(tīng)說(shuō)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(gè)挑戰(zhàn)。
楊銳帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)加班加點(diǎn)工作，在短時(shí)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(cè)試全過(guò)程，并通過(guò)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(duì)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(cè)試環(huán)境苛刻，要求很高，當(dāng)時(shí)全國(guó)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(lái)鳳曾在金屬所獲得碩士學(xué)位，他一接到請(qǐng)求即全力協(xié)調(diào)加班測(cè)試，對(duì)團(tuán)隊(duì)及時(shí)獲得性能數(shù)據(jù)提供了極大的幫助。
測(cè)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(kāi)局給予團(tuán)隊(duì)極大鼓舞。楊銳說(shuō)：“當(dāng)時(shí)有4個(gè)團(tuán)隊(duì)參加項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)，但答辯的時(shí)候兩個(gè)團(tuán)隊(duì)臨時(shí)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(kāi)展粉末冶金部件研究。“文獻(xiàn)上只見(jiàn)大致輪廓和最終結(jié)果，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)和工藝過(guò)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(kāi)展一系列試驗(yàn)，而手上無(wú)試驗(yàn)件可用，正‘等米下鍋’，因此溝通時(shí)對(duì)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(wú)法進(jìn)行機(jī)加工，對(duì)成形后的尺寸精度要求很高，而粉末致密化時(shí)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(shí)間上不允許。”
當(dāng)時(shí)，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(gè)“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(kāi)展了大量的模擬計(jì)算，這對(duì)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(shí)控制尺寸，但冷卻時(shí)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(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)，他們對(duì)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(kāi)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(gè)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(shí)間內(nèi)制造出了合格的氫泵渦輪樣件，為氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制提供了有力支撐。