中科院金屬所有一群航空航天事業(yè)中的“心臟科醫(yī)生”。他們?cè)谘兄茟?yīng)用新材料的科研一線奮斗的目標(biāo)，就是讓航空發(fā)動(dòng)機(jī)更長(zhǎng)壽
在金屬所鈦合金研究團(tuán)隊(duì)看來(lái)，擁有一支年輕隊(duì)伍、一批優(yōu)秀人才，是他們最大的戰(zhàn)略資源，也是事業(yè)發(fā)展最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)
頻頻完成高難度運(yùn)載任務(wù)的長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭（下稱長(zhǎng)五B），是知名的“航天勞模”。
長(zhǎng)五B背后，有一支來(lái)自中國(guó)科學(xué)院金屬研究所（下稱金屬所）的鈦合金研究團(tuán)隊(duì)。他們攻克了鈦合金粉末近凈成形等關(guān)鍵技術(shù)難題，研制出的氫泵葉輪，支撐了長(zhǎng)五B的強(qiáng)大“心臟”。
鈦合金是一種高端金屬結(jié)構(gòu)材料，被應(yīng)用于航空航天等尖端領(lǐng)域，主要應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、航天發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件以及航空緊固件等。鈦合金氫泵葉輪的研制成功，突破了潔凈粉末制備、粉末合金致密化成形等一系列基礎(chǔ)研究難題。
這支以“80后”“90后”為主體的青年團(tuán)隊(duì)，平均年齡38歲。十余年來(lái)，他們深耕航空航天事業(yè)，突破多種關(guān)鍵材料和工藝技術(shù)，在破解大火箭“心臟”難題后，又不斷將航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命推向新的極限。
破解大火箭“心臟”難題
作為中國(guó)空間站艙段“運(yùn)輸專列”，長(zhǎng)五B運(yùn)載能力大于22噸，是我國(guó)目前近地軌道運(yùn)載能力最大的運(yùn)載火箭。其強(qiáng)大的運(yùn)載能力，離不開(kāi)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的核心部件——?dú)浔萌~輪。
零下253攝氏度的液氫環(huán)境內(nèi)，氫泵葉輪需在短時(shí)間內(nèi)將液氫高速輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，與液氧混合燃燒產(chǎn)生推力，將火箭送上2萬(wàn)米高空，實(shí)現(xiàn)“供血”通暢。
要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，增強(qiáng)氫泵葉輪材料性能至關(guān)重要。
2008年，針對(duì)長(zhǎng)征五號(hào)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位提出的緊急需求，金屬所項(xiàng)目負(fù)責(zé)人楊銳選用徐磊等研究骨干，組建攻關(guān)團(tuán)隊(duì)承接項(xiàng)目，啟動(dòng)相關(guān)研究。
國(guó)際常采用粉末冶金成形新技術(shù)制造氫泵葉輪。可團(tuán)隊(duì)第一次開(kāi)展粉末冶金部件研究，就遇到難題——文獻(xiàn)上只有大致輪廓和最終結(jié)果，關(guān)鍵技術(shù)和工藝過(guò)程只字不提。
技術(shù)突破的壁壘森嚴(yán)，特別是五年內(nèi)要有成果的時(shí)間要求，更放大了研制難度。
徐磊介紹說(shuō)，粉末冶金技術(shù)可以突破氫泵葉輪應(yīng)用中高速、低溫、強(qiáng)壓、穩(wěn)定等多個(gè)難點(diǎn)，但在2008年前，我國(guó)相關(guān)研究幾乎為零。“就拿氫泵葉輪為例，想在短時(shí)間內(nèi)將液態(tài)氫氣輸送到燃燒室，葉輪邊緣速度將達(dá)到每秒430米，而聲音的速度是每秒340米，它比聲音的速度還快。”
楊銳當(dāng)時(shí)領(lǐng)導(dǎo)的鈦合金研究部正承擔(dān)的某材料計(jì)算設(shè)計(jì)重點(diǎn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目在材料計(jì)算模擬方面有較好積累。
基于這些數(shù)據(jù)，鈦合金研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展大量模擬計(jì)算，反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)，又憑借金屬所多學(xué)科助力充實(shí)團(tuán)隊(duì)力量，最終攻克了材料制備、葉輪構(gòu)造等難題。
八年磨一劍。鈦合金研究團(tuán)隊(duì)攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，終于研制出合格的氫泵葉輪部件，為氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供了有力支撐，奠定了長(zhǎng)征五號(hào)2016年成功發(fā)射的基礎(chǔ)。
此后，“天和”“問(wèn)天”“夢(mèng)天”三個(gè)空間站艙段也由長(zhǎng)五B成功送往“天宮”。氫泵葉輪經(jīng)受住了一次又一次高難度挑戰(zhàn)。
據(jù)了解，鈦合金研究團(tuán)隊(duì)已牽頭承擔(dān)100余項(xiàng)國(guó)家級(jí)鈦合金研制任務(wù)。其中，團(tuán)隊(duì)研制的鈦鋁低壓渦輪葉片，可使重達(dá)3000公斤左右的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，在原本減重1克都要絞盡腦汁的情況下，實(shí)現(xiàn)減重30到50公斤，大幅減少油耗。
2021年，徐磊與9名鈦合金研究團(tuán)隊(duì)骨干成員入選“中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃”，并組建“航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命關(guān)鍵材料及制造”青年團(tuán)隊(duì)，繼續(xù)突破航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命材料及制造“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
徐磊透露，2023年鈦合金研發(fā)團(tuán)隊(duì)將針對(duì)“鈦鋁低壓渦輪葉片”繼續(xù)開(kāi)展耐疲勞性能等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，這也將為新型號(hào)大飛機(jī)的可靠飛行提供強(qiáng)有力保障。
讓航空發(fā)動(dòng)機(jī)更長(zhǎng)壽
在某種意義上，鈦合金研究團(tuán)隊(duì)如同航空事業(yè)中的“心臟科醫(yī)生”。他們?cè)谘兄茟?yīng)用新材料、對(duì)抗金屬疲勞的科研一線奮斗的目標(biāo)，就是讓航空發(fā)動(dòng)機(jī)更“長(zhǎng)壽”。
他們的武器之一，是跟關(guān)鍵技術(shù)死磕的心氣。
徐磊記得，在鈦合金氫泵葉輪研制初期，由于時(shí)間緊、任務(wù)重，許多工作需要齊頭并進(jìn)。比如粉末填充后需要馬上進(jìn)行超聲處理和后續(xù)真空脫氣，往往需要一天時(shí)間，團(tuán)隊(duì)常常輪流實(shí)時(shí)記錄參數(shù)，工作到凌晨是常事。與時(shí)間賽跑，團(tuán)隊(duì)僅用14個(gè)月，就自主自立完成鈦合金氫泵葉輪樣件研制。
讓徐磊記憶最深的是包套技術(shù)。這種將金屬顆粒填充到模具中，封裝除氣后進(jìn)行熱等靜壓成形，并做成膠囊形狀的技術(shù)看似簡(jiǎn)單，成功率卻始終提不上去。“包套在熱等靜壓過(guò)程中應(yīng)該收縮，但沒(méi)想到好幾次實(shí)驗(yàn)包套反而膨脹。有時(shí)都進(jìn)行到最后一步了還是失敗。有一段時(shí)間，夢(mèng)里都是包套因?yàn)闆](méi)壓成功爆掉。”徐磊說(shuō)。
為徹底掌握包套技術(shù)，徐磊干脆住進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，跟工人師傅在一起設(shè)計(jì)焊縫，選擇焊縫材料，對(duì)焊縫進(jìn)行檢漏，盡量多地采取機(jī)器人自動(dòng)焊接。
跟關(guān)鍵技術(shù)死磕，讓鈦合金團(tuán)隊(duì)目前的大型包套的熱壓成功率達(dá)到百分之百，該技術(shù)已用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜部件成形。
鈦合金團(tuán)隊(duì)在對(duì)抗金屬疲勞方面的心得，則是膽大心細(xì)。
一次，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員劉仁慈在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片研制實(shí)驗(yàn)中，偶然發(fā)現(xiàn)“硼”元素在增加。劉仁慈沒(méi)有輕易放過(guò)這個(gè)現(xiàn)象，他先帶領(lǐng)大伙檢測(cè)性能，然后分析在不同強(qiáng)度下“硼”元素存在的各種形態(tài)，為葉片研制提供了更全面的基礎(chǔ)材料。
在劉仁慈柜子里的一本本筆記本上，記錄著航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的每一次測(cè)試、每一次考核、每一次故障。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片所有性能指標(biāo)、變化軌跡，劉仁慈如數(shù)家珍。
劉仁慈說(shuō)，每當(dāng)看到多年的研究成果變成一個(gè)葉輪、一個(gè)零部件，或是材料從實(shí)驗(yàn)室到中試廠房，再到大規(guī)模應(yīng)用，自己內(nèi)心都無(wú)比激動(dòng)。“只要祖國(guó)需要我們，我們就會(huì)努力讓這顆跳動(dòng)在航空事業(yè)的‘中國(guó)心’，更健康、更強(qiáng)勁。”
“把冷板凳坐熱”
在金屬所鈦合金研究團(tuán)隊(duì)看來(lái)，擁有一支年輕隊(duì)伍、一批優(yōu)秀人才，是他們最大的戰(zhàn)略資源，也是事業(yè)發(fā)展最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
“培養(yǎng)年輕人的關(guān)鍵，是放手讓他們?nèi)ジ伞！毙炖谡f(shuō)。
據(jù)徐磊介紹，他在金屬所讀博期間，楊銳就常把他放在工作一線，作為鈦合金潔凈粉末冶金研究的儲(chǔ)備人才培養(yǎng)。“與大量項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)的親密接觸，讓我實(shí)現(xiàn)了跨越式成長(zhǎng)。”
良好的科研氛圍形成了傳幫帶作用。1990年出生的盧正冠是徐磊的博士，畢業(yè)后選擇留在金屬所，成為鈦合金研究團(tuán)隊(duì)的一員。另?yè)?jù)了解，2008年，鈦合金粉末近凈成形團(tuán)隊(duì)建立初期只有幾個(gè)人，如今這幾個(gè)人的學(xué)生都加入團(tuán)隊(duì)，并逐漸變成課題骨干和核心。
針對(duì)人才培育和引進(jìn)，金屬所初步構(gòu)建全鏈條人才計(jì)劃體系，連續(xù)出臺(tái)多項(xiàng)政策，吸引穩(wěn)定人才，包括高層次人才協(xié)議薪酬管理辦法、所引進(jìn)優(yōu)秀學(xué)者計(jì)劃實(shí)施辦法等。
針對(duì)人才需求，金屬所形成長(zhǎng)期關(guān)注聯(lián)系的“長(zhǎng)名單”和近期重點(diǎn)聯(lián)系對(duì)接的“短名單”，著重引進(jìn)支撐國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和科學(xué)前沿探索的關(guān)鍵人才，充分調(diào)動(dòng)各方力量積極參與人才引進(jìn)，充分發(fā)揮直接、關(guān)鍵作用人員的作用。
引進(jìn)來(lái)，更要留下來(lái)。劉仁慈說(shuō)，入所近10年，他發(fā)表論文和專利并不多，但項(xiàng)目成果不少。“金屬所一直在科研上給予很大包容度，甚至有的項(xiàng)目不一定必須要求產(chǎn)出具有明確指標(biāo)的成果，營(yíng)造了特別積極的研究氛圍。大家都有‘把冷板凳坐熱’的決心，都想著拿出更好的研究成果。”
在科研資金支持上，鈦合金研究團(tuán)隊(duì)獲得中國(guó)科學(xué)院“穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃”支持，解決青年科研人員經(jīng)費(fèi)不足問(wèn)題。同時(shí)，金屬所設(shè)立研究所創(chuàng)新基金，修訂師昌緒青年科技人才基金，大幅提升優(yōu)秀青年科技人才獎(jiǎng)勵(lì)待遇。
