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全面振兴 沈阳行动丨让航空发动机更强劲

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◇中科院金属所有一群航空航天事业中的“心脏科医生”。他们在研制应用新材料的科研一线奋斗的目标,就是让航空发动机更长寿

◇在金属所钛合金研究团队看来,拥有一支年轻队伍、一批优秀人才,是他们最大的战略资源,也是事业发展最坚实的基础

频频完成高难度运载任务的长征五号B运载火箭(下称长五B),是知名的“航天劳模”。

长五B背后,有一支来自中国科学院金属研究所(下称金属所)的钛合金研究团队。他们攻克了钛合金粉末近净成形等关键技术难题,研制出的氢泵叶轮,支撑了长五B的强大“心脏”。

钛合金是一种高端金属结构材料,被应用于航空航天等尖端领域,主要应用于飞机结构件、航天发动机结构件以及航空紧固件等。钛合金氢泵叶轮的研制成功,突破了洁净粉末制备、粉末合金致密化成形等一系列基础研究难题。

这支以“80后”“90后”为主体的青年团队,平均年龄38岁。十余年来,他们深耕航空航天事业,突破多种关键材料和工艺技术,在破解大火箭“心脏”难题后,又不断将航空发动机的寿命推向新的极限。

破解大火箭“心脏”难题

作为中国空间站舱段“运输专列”,长五B运载能力大于22吨,是我国目前近地轨道运载能力最大的运载火箭。其强大的运载能力,离不开火箭发动机内的核心部件——氢泵叶轮。

零下253摄氏度的液氢环境内,氢泵叶轮需在短时间内将液氢高速输送到发动机燃烧室,与液氧混合燃烧产生推力,将火箭送上2万米高空,实现“供血”通畅。

要实现这一目标,增强氢泵叶轮材料性能至关重要。

2008年,针对长征五号氢氧发动机设计单位提出的紧急需求,金属所项目负责人杨锐选用徐磊等研究骨干,组建攻关团队承接项目,启动相关研究。

国际常采用粉末冶金成形新技术制造氢泵叶轮。可团队第一次开展粉末冶金部件研究,就遇到难题——文献上只有大致轮廓和最终结果,关键技术和工艺过程只字不提。

技术突破的壁垒森严,特别是五年内要有成果的时间要求,更放大了研制难度。

徐磊介绍说,粉末冶金技术可以突破氢泵叶轮应用中高速、低温、强压、稳定等多个难点,但在2008年前,我国相关研究几乎为零。“就拿氢泵叶轮为例,想在短时间内将液态氢气输送到燃烧室,叶轮边缘速度将达到每秒430米,而声音的速度是每秒340米,它比声音的速度还快。”

杨锐当时领导的钛合金研究部正承担的某材料计算设计重点项目,该项目在材料计算模拟方面有较好积累。

基于这些数据,钛合金研发团队开展大量模拟计算,反复试验优化参数,又凭借金属所多学科助力充实团队力量,最终攻克了材料制备、叶轮构造等难题。

八年磨一剑。钛合金研究团队攻克多项技术难题,终于研制出合格的氢泵叶轮部件,为氢氧发动机的研制提供了有力支撑,奠定了长征五号2016年成功发射的基础。

此后,“天和”“问天”“梦天”三个空间站舱段也由长五B成功送往“天宫”。氢泵叶轮经受住了一次又一次高难度挑战。

据了解,钛合金研究团队已牵头承担100余项国家级钛合金研制任务。其中,团队研制的钛铝低压涡轮叶片,可使重达3000公斤左右的飞机发动机,在原本减重1克都要绞尽脑汁的情况下,实现减重30到50公斤,大幅减少油耗。

2021年,徐磊与9名钛合金研究团队骨干成员入选“中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划”,并组建“航空发动机长寿命关键材料及制造”青年团队,继续突破航空发动机长寿命材料及制造“卡脖子”关键技术问题。

徐磊透露,2023年钛合金研发团队将针对“钛铝低压涡轮叶片”继续开展耐疲劳性能等相关实验,这也将为新型号大飞机的可靠飞行提供强有力保障。

让航空发动机更长寿

在某种意义上,钛合金研究团队如同航空事业中的“心脏科医生”。他们在研制应用新材料、对抗金属疲劳的科研一线奋斗的目标,就是让航空发动机更“长寿”。

他们的武器之一,是跟关键技术死磕的心气。

徐磊记得,在钛合金氢泵叶轮研制初期,由于时间紧、任务重,许多工作需要齐头并进。比如粉末填充后需要马上进行超声处理和后续真空脱气,往往需要一天时间,团队常常轮流实时记录参数,工作到凌晨是常事。与时间赛跑,团队仅用14个月,就自主自立完成钛合金氢泵叶轮样件研制。

让徐磊记忆最深的是包套技术。这种将金属颗粒填充到模具中,封装除气后进行热等静压成形,并做成胶囊形状的技术看似简单,成功率却始终提不上去。“包套在热等静压过程中应该收缩,但没想到好几次实验包套反而膨胀。有时都进行到最后一步了还是失败。有一段时间,梦里都是包套因为没压成功爆掉。”徐磊说。

为彻底掌握包套技术,徐磊干脆住进实验室,跟工人师傅在一起设计焊缝,选择焊缝材料,对焊缝进行检漏,尽量多地采取机器人自动焊接。

跟关键技术死磕,让钛合金团队目前的大型包套的热压成功率达到百分之百,该技术已用到航空发动机复杂部件成形。

钛合金团队在对抗金属疲劳方面的心得,则是胆大心细。

一次,研发团队成员刘仁慈在航空发动机叶片研制实验中,偶然发现“硼”元素在增加。刘仁慈没有轻易放过这个现象,他先带领大伙检测性能,然后分析在不同强度下“硼”元素存在的各种形态,为叶片研制提供了更全面的基础材料。

在刘仁慈柜子里的一本本笔记本上,记录着航空发动机叶片的每一次测试、每一次考核、每一次故障。对于发动机叶片所有性能指标、变化轨迹,刘仁慈如数家珍。

刘仁慈说,每当看到多年的研究成果变成一个叶轮、一个零部件,或是材料从实验室到中试厂房,再到大规模应用,自己内心都无比激动。“只要祖国需要我们,我们就会努力让这颗跳动在航空事业的‘中国心’,更健康、更强劲。”

“把冷板凳坐热”

在金属所钛合金研究团队看来,拥有一支年轻队伍、一批优秀人才,是他们最大的战略资源,也是事业发展最坚实的基础。

“培养年轻人的关键,是放手让他们去干。”徐磊说。

据徐磊介绍,他在金属所读博期间,杨锐就常把他放在工作一线,作为钛合金洁净粉末冶金研究的储备人才培养。“与大量项目、实验的亲密接触,让我实现了跨越式成长。”

良好的科研氛围形成了传帮带作用。1990年出生的卢正冠是徐磊的博士,毕业后选择留在金属所,成为钛合金研究团队的一员。另据了解,2008年,钛合金粉末近净成形团队建立初期只有几个人,如今这几个人的学生都加入团队,并逐渐变成课题骨干和核心。

针对人才培育和引进,金属所初步构建全链条人才计划体系,连续出台多项政策,吸引稳定人才,包括高层次人才协议薪酬管理办法、所引进优秀学者计划实施办法等。

针对人才需求,金属所形成长期关注联系的“长名单”和近期重点联系对接的“短名单”,着重引进支撑国家重大战略需求和科学前沿探索的关键人才,充分调动各方力量积极参与人才引进,充分发挥直接、关键作用人员的作用。

引进来,更要留下来。刘仁慈说,入所近10年,他发表论文和专利并不多,但项目成果不少。“金属所一直在科研上给予很大包容度,甚至有的项目不一定必须要求产出具有明确指标的成果,营造了特别积极的研究氛围。大家都有‘把冷板凳坐热’的决心,都想着拿出更好的研究成果。”

在科研资金支持上,钛合金研究团队获得中国科学院“稳定支持基础研究领域青年团队计划”支持,解决青年科研人员经费不足问题。同时,金属所设立研究所创新基金,修订师昌绪青年科技人才基金,大幅提升优秀青年科技人才奖励待遇。

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