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)隊研制而成。
金屬所該項目負(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，上報項目申請書的時間截點是2008年10月31日。
“準(zhǔn)備項目答辯的時間很緊，只有一個多月，團(tuán)隊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，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)用要求是項目面臨的第一個挑戰(zhàn)。
楊銳帶領(lǐng)團(tuán)隊加班加點工作，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(fù)試驗優(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，對工作按計劃進(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)隊極大鼓舞。楊銳說：“當(dāng)時有4個團(tuán)隊參加項目競爭，但答辯的時候兩個團(tuán)隊臨時撤出，最終我們以較扎實的工作基礎(chǔ)和詳盡具體的研究方案勝出。”
藝高人膽大
雖然拿到了項目，但楊銳團(tuán)隊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，而手上無試驗件可用，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)實驗優(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)材料計算設(shè)計的一個“973”項目，團(tuán)隊在材料計算模擬方面有較好積累。在著手部件成形試驗之前，徐磊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致關(guān)重要的作用，有效減少了必需的實驗驗證輪次，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(qiáng)，所謂“藝高人膽大”，楊銳團(tuán)隊采用了軟質(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。
在攻克上述多項技術(shù)難題基礎(chǔ)上，金屬所團(tuán)隊在一年半時間內(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。