近日，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——?dú)浔脺u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)，從2016年開始應(yīng)用于被稱為“胖五”的長(zhǎng)征五號(hào)首次發(fā)射，并沿用至今。
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《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“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年至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)劃將其用于研制航空發(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)開展。
2008年2月高溫結(jié)構(gòu)金屬間化合物國(guó)際會(huì)議在美國(guó)圣地亞哥召開，作為會(huì)議4名主席之一的楊銳，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月在美國(guó)加州長(zhǎng)灘召開的第六屆國(guó)際熱等靜壓學(xué)術(shù)會(huì)議。
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)告都是關(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。
良好的開局
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)已有兩家單位就此研究了一段時(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)進(jìn)行公開招標(biāo)�！睏钿J清楚記得，上報(bào)項(xiàng)目申請(qǐng)書的截止時(shí)間是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)面臨的問(wèn)題是沒(méi)有任何前期工作基礎(chǔ)�！睏钿J告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
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《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，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(shuō)設(shè)備終于安裝好了，便立即辭職回到金屬所繼續(xù)該方向的研究工作。
氫泵渦輪在零下253℃下高速旋轉(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)只有中科院理化技術(shù)研究所低溫中心具備相關(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。
測(cè)試結(jié)果表明，制備的粉末合金性能穩(wěn)定、高于技術(shù)指標(biāo)要求，良好的開局給了團(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，但這是楊銳團(tuán)隊(duì)第一次開展粉末冶金部件研究�！拔墨I(xiàn)上只見大致輪廓和最終結(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五年，但用戶需要盡快開展一系列試驗(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�！斑@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計(jì)劃”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，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)。
于是，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(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。
攻克重重難關(guān)，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。