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粉末冶金技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

作者:翔宇粉末冶金

發(fā)布時(shí)間:2023-02-09 14:29:12

來源:本站 閱讀數(shù)量:1875次 點(diǎn)贊數(shù)量:1336次

導(dǎo)讀: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)更長壽在金屬所鈦合金研究團(tuán)隊(duì)看來,,擁有一支年輕隊(duì)伍,、一批*人才,是他們*大的戰(zhàn)略資源,,也是事業(yè)發(fā)展*堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)頻頻完成高難度運(yùn)載任務(wù)的長征五號(hào)B運(yùn)載火箭(下稱長五B),,是知名的“航天勞模”。長五B背

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)更長壽

在金屬所鈦合金研究團(tuán)隊(duì)看來,擁有一支年輕隊(duì)伍,、一批*人才,,是他們*大的戰(zhàn)略資源,也是事業(yè)發(fā)展*堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)

頻頻完成高難度運(yùn)載任務(wù)的長征五號(hào)B運(yùn)載火箭(下稱長五B),,是知名的“航天勞?!薄?/p>

長五B背后,,有一支來自中國科學(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*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,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

作為中國空間站艙段“運(yùn)輸專列”,,長五B運(yùn)載能力大于22噸,是我國目前近地軌道運(yùn)載能力*大的運(yùn)載火箭,。其強(qiáng)大的運(yùn)載能力,,離不開火箭發(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,。

國際常采用粉末冶金成形新技術(shù)制造氫泵葉輪??蓤F(tuán)隊(duì)*次開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*終結(jié)果,關(guān)鍵技術(shù)和工藝過程只字不提,。

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,。

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徐磊介紹說,,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,*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,,奠定了長征五號(hào)2016年成功發(fā)射的基礎(chǔ)。

此后,,“天和”“問天”“夢(mèng)天”三個(gè)空間站艙段也由長五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)*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)長壽命材料及制造“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)問題,。

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*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?!鞍自跓岬褥o壓過程中應(yīng)該收縮,,但沒想到好幾次實(shí)驗(yàn)包套反而膨脹。有時(shí)都進(jìn)行到*后一步了還是失敗,。有一段時(shí)間,,夢(mèng)里都是包套因?yàn)闆]壓成功爆掉?!毙炖谡f,。

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*,,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,。劉仁慈沒有輕易放過這個(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,,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)心都無比激動(dòng),。“只要祖國需要我們,,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,,擁有一支年輕隊(duì)伍,、一批*人才,是他們*大的戰(zhàn)略資源,,也是事業(yè)發(fā)展*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??!毙炖谡f。

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),?!芭c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,。”

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,。另據(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)*學(xué)者計(jì)劃實(shí)施辦法等,。

針對(duì)人才需求,金屬所形成長期關(guān)注聯(lián)系的“長名單”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,更要留下來,。劉仁慈說,,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*青年科技人才獎(jiǎng)勵(lì)待遇,。


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