長征五號B運載火箭氫氧發動機核心部件由鈦合金粉末近凈成形技術制造而成

5月5日，我國長征五號B運載火箭首飛成功，其近地軌道運載能力大于22噸，是目前我國近地軌道運載能力*大的火箭。在其強大的心臟中有一個核心部件——氫泵渦輪，就是由中國科學院金屬研究所攻克了鈦合金粉末近凈成形技術制造而成。這項成果從2016年開始應用于長征五號*發射，一直沿用至今。

氫泵渦輪的作用是將箭體內的大量液氫燃料高速輸送到發動機燃燒室，與液氧混合燃燒產生推力。若氫泵渦輪出現問題，火箭會瞬時因失去動力墜落。

2000至2005年間，在國家有關部門支持下，中國科學院金屬研究所鈦合金研究部從國外引進建設了國內*臺鈦合金潔凈霧化制粉設備，原計劃用于研制航空發動機部件，但當時這個想法太超前，國內沒有需求和經費支持渠道。項目負責人、鈦合金研究部主任楊銳不得不尋求國際合作經費支持，但2006年與歐洲的研究機構聯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”沒有成功。盡管合作項目未獲批準，但學術交流持續開展。2008年5月6-9日，第六屆國際熱等靜壓學術會議在美國加州長灘召開，參與組織這次會議的歐洲合作者希望楊銳去參加。2008年2月在美國圣地亞哥召開的高溫結構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無法參加，直到會議結束之后3月才拿到，他正好用這個簽證去參加了5月的會議。會上，兩篇關于鈦合金粉末熱等靜壓研究的報告引起了楊銳的注意，都是關于制備火箭氫氧發動機的氫泵渦輪的：一篇來自俄羅斯莫斯科化學加工研究所，研究關于如何提高粉末鈦合金性能；另一篇來自日本金屬技術公司，是模擬粉末的熱等靜壓成形過程的。聽到這兩篇報告，楊銳眼睛一亮，這不正是他兩年來一直苦苦尋找的鈦合金粉末的應用出囗嗎？

巧合的是，三個月后，長征五號氫氧發動機的氫泵渦輪作為配套項目正式發布，大概己有兩家單位研究了一段時間了，但進展不理想，總體單位為確保氫氧發動機研制進度將這個攻關任務提出來公開招標。楊銳清楚記得他們上報項目申請書的時間點是2008年10月31日。

準備項目答辯的時間很緊，只有一個多月，團隊面臨的短板是沒有任何前期工作基礎。科研攻關和打仗一樣，沒有準備、毫無把握地上陣，是兵家大忌。楊銳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鍵數據，支撐研究方案，并指定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，人是*關鍵的因素。在粉末設備建設期間，楊銳2002年招收了徐磊作為博士研究生開展鈦合金潔凈粉末冶金研究，儲備人才。但因設備缺乏合乎要求的安裝場地，重新建房花了3年多時間，致使徐磊博士研究期間一直沒有獲得質量合格的粉末，整個研究磕磕碰碰，不盡理想，一直到他畢業答辯，設備也沒安裝好，他畢業后不得不到南京福特汽車公司找了一份工作。但他初心不改，一年后他聽說設備終于安裝好了，立即辭職回到金屬所繼續該方向研究工作。

氫泵渦輪在零下253度高速旋轉工作，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用要求是項目面臨的*個挑戰。團隊加班加點地工作，在很短時間內走完了母合金、電極、制粉、包套、熱等靜壓、樣品加工、性能測試全過程，并通過反復試驗優化參數，研究部劉羽寅副主任、雷家峰研究員等緊急分頭安排落實，對工作按計劃進度完成起到了重要保障作用。

低溫力學性能測試環境苛刻，要求很高，當時全國只有中國科學院理化技術研究所低溫中心具有相關條件和資質，該中心負責人李來鳳在金屬所讀過研究生，他一接到請求即全力協調加班測試，對團隊及時獲得性能數據提供了極大的幫助。

測試結果表明，制備的粉末合金的性能穩定地高于技術指標要求，良好的開局給予團隊極大鼓舞。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，*終金屬所團隊以較扎實的工作基礎和詳盡具體的研究方案勝出。

雖然拿到了項目，但團隊*次開展粉末冶金部件研究，文獻上只見大致輪廓和*終結果，對關鍵技術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五年，但因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。氫泵渦輪屬于閉合空腔結構，內部無法進行機加工，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*大技術障礙。 如果完全依靠一輪一輪反復實驗優化尺寸，成本極高，且時間上不允許。

當時楊銳作為首席科學家正在承擔材料計算設計的一個973項目，團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，這對包套優化設計和快速逼近理論尺寸起到了致關重要的作用，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部型芯實現的，若采用硬質型芯，雖然有利于高溫成形時控制尺寸，但冷卻時易將部件內部結構撐裂。采用軟質型芯可避免裂紋，但尺寸控制難上加難。團隊由于掌握了計算模擬成形過程的關鍵技術，他們對尺寸控制的能力顯著增強，所謂“藝高人膽大”，他們采用了軟質型芯方案，成功解決了尺寸精度與成形開裂的矛盾。

渦輪去除型芯需要采用選擇性腐蝕技術，金屬所腐蝕科學與技術實力享譽世界，得益于這種多學科綜合實力，團隊很快解決了這個難題，并在董俊華研究員等人的幫助下優化了方案，縮短了部件制造周期。

在攻克上述多項技術難題基礎上，金屬所團隊在一年半時間內制造出了合格的氫泵渦輪樣件，為氫氧發動機研制提供了有力支撐。

時任國家973計劃顧問專家組組長周光召同志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上，發揮計算模擬指導作用，攻克了重大技術難關，具有示范意義。經周光召同志親自推薦，攻關團隊負責人楊銳獲2010年度周光召基金會應用科學獎。

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

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