研制“胖五”心脏内这个不起眼的零件,科学家竟花费了12年

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2021-10-27 12:51

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长征五号B型运载火箭是我国目前近地轨道推力最大的运载火箭,氢泵叶轮是火箭液氢液氧发动机的核心关键部件,研发难度极大,不仅因为它的工作环境苛刻,还因为它的铸造强度比较低。使用粉末冶金成形的工艺方法,更加节省材料,可以承担较高的转速,并且更为可靠。什么是粉末冶金成形?粉末叶轮怎么做?他们如何助力长征五号首飞?

出品:格致论道讲坛

以下内容为中科院金属研究所研究员徐磊演讲实录:

我今天给大家分享的主题是“氢泵叶轮攻关记”。

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这张照片我们一定不太陌生,这是我国目前近地轨道推力最大的运载火箭:长征五号B型运载火箭。
在火箭液氢液氧发动机的心脏部位,有一个至关重要的核心部件,就是图片中画红框的位置。

为了这个核心关键部件,我和我的团队用了大概12年的时间,才把它研制成功,这个零件就叫“氢泵叶轮”。

我们首先看一下氢泵叶轮的工作环境和工作地点。

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左图是它工作在液氢液氧发动机的氢涡轮泵中,红圈的部位就是氢泵叶轮的工作地点。
右图是我们现在做的给长征五号配套的XX-77和XX-75D的氢泵叶轮。

它看起来不是那么大,怎么研制起来难度这么大,用了十几年的时间?

我们先要看一下它的工作环境。

氢泵叶轮工作在氢涡轮泵中,也就是液氢的环境中,是零下253度。

它的作用是将火箭体内大量低温低压的液态氢气高速输送到燃烧室中,与燃烧室中的液态氧气爆炸混合,对火箭产生推力。

如果想在短时间内将液态氢气输送到燃烧室中,叶轮的转速达到每分钟35000转。

在如此高的转速下,它的轮缘线速度达到每秒430米,这是什么概念呢?

声音的速度是每秒340米,它比声音的速度还要快。

为了更形象地介绍氢泵叶轮的工作环境到底有多么苛刻,我举一个例子。

2012年,我针对这个问题,向当时长征五号火箭的副总师王维彬请教。王总告诉我,液氢经过氢泵叶轮加压以后,泵后压力达到16.5兆帕。

这就意味着氢泵叶轮要在短时间内将液氢输送到两万多米的高空,也就相当于三个珠穆朗玛峰的高度。

这么严苛的使用环境,除了要求材料在低温下有很好的强度外,还要保证它能够平稳稳定地运转。

这就和汽车动平衡比较类似,如果汽车车轮动平衡不好,会带来几个问题:第一,方向盘抖动;第二,车轮抖动;第三,轮胎异响,可能还会翻车。

因为火箭发动机氢泵叶轮是输送动力的,如果它运转不平稳,火箭会因瞬间丧失动力而坠毁,这个恶果非常可怕。

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长征五号运载火箭研制初期,氢泵叶轮采取传统的精密铸造的方式来制备,但精密铸造有它本身难以克服的“缩孔、疏松”的铸造缺陷。
另外,它的铸造强度比较低,材料如此高强度地运转,经常会出现掉块的现象。

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如同照片中的红色部位,叶轮做完实验后,叶片掉一块,边缘也掉一块。
有时掉块恰好会堵住燃料管道,有一次堵住管道后把发动机试车台都烧红了,险些造成爆炸,酿成重大的安全事故。

此外,我们采用工业CT对叶轮的叶片进行了探伤,我们发现,它有一些“缩孔、疏松”的铸造缺陷。

这种缺陷在高速旋转的过程中,会给用户带来很大的安全隐患。

粉末冶金成形

用户一直为氢泵叶轮头疼,因为铸造叶轮出现这么多问题,就想着能不能采取一种新的成形工艺方法解决这个问题。

这个答案是肯定的。

因为早在上世纪八九十年代,美国和俄罗斯这种航天强国,他们也发现铸造叶轮存在安全隐患,纷纷采用粉末冶金成形的方式制造了氢泵叶轮,并获得了很好的效果。

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什么是粉末冶金成形?
简单地说,粉末冶金是精密铸造的升级版。

精密铸造采用的原材料是熔融的金属液体,它的成形方式是这样的:把金属液体熔化后,浇铸到预先制备的模壳中,模壳一般都是陶瓷材料所做的,金属液体在模壳中逐渐凝固,形成铸造合金,最后把模壳敲掉,得到精密铸件。

而粉末冶金采用的原料是松散的粉末颗粒,是将粉末填充到模具中,模具通常用术语,叫做“包套”。

包套的作用是容纳变形,紧接着松散的粉末颗粒在高温高压下发生烧结,致密化形成一个致密的粉末合金,最后再将包套去除掉,就得到了粉末零件。

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粉末冶金既然在国际上有这么多应用,美国和俄罗斯都纷纷采用这个方式制备氢泵叶轮,那么它有什么好处呢?
第一,省料。

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左上角是我们为航天用户做的一个盘件,我们的毛坯重量不到20公斤。
这个盘件交给用户后,用户再简单地加工几个安装边,打几个孔,就可以投入使用了,时间不超过一周。

而采用传统的铸造加锻造方式,第一个问题是费料。

这个毛坯的重量是150公斤,150公斤的毛坯交付给用户后,还要经过将近60天,也就是两个多月的精加工,然后上五轴加工中心铣出零件。

此外,由于这个饼子是锻造出来的,轮盘的边缘和中心还存在一些性能的差异,会在使用中带来安全隐患,用户也是不满意的。

另外,最重要的一点,粉末合金有一个无可比拟的天然优势,就是材质均匀、成分均匀。

下面这两张图是采用X射线三维成像技术得到的,就是对粉末合金的成分和锻造合金的成分进行切片扫描。

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图中色差变化不大的,就说明它的成分均匀、材质均匀性好。
右图是锻造的,可以发现黑色和白色的亮暗不同的条带,说明成分是不均匀的。

这种不均匀的材质如果是一个转动件,在转动过程中有很大的安全隐患,所以这就是粉末合金的另外一个优点。

我国是从什么时候开始研制粉末冶金成形部件,特别是粉末氢泵叶轮这个零件的呢?

我所在的金属研究所钛合金研究部,一直在持续追踪国际上先进钛合金的发展方向。

2005年,我们在国家的支持下,建成了国内第一台洁净雾化的钛合金制粉设备。

很有幸,2008年,我们承接了国家长征五号叶轮粉末冶金氢泵叶轮的研制项目,也就是从12年前,我国正式开始粉末冶金氢泵叶轮的研制工作。

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这台设备的作用,就是将右上角那块红布上放的致密的合金锻棒变成松散的合金粉末,就是预合金粉末。
粉末合金的制备

有了粉末后,我们就去制备粉末合金。我们要进行性能摸底,我们制备的粉末合金究竟能不能达到用户的使用要求?

粉末合金的制备分为以下几个部分。

第一,要制备包套。包套的英文单词是capsule,就是胶囊的意思。

大家都吃过感冒药,感冒胶囊外面有一层皮,里面是松散的药的粉末,而我们这个就是金属胶囊。

我们要将金属做成一个胶囊的形状,然后把金属颗粒,填充到包套即胶囊中去。

第三步就是对包套进行封装除气,然后进行最重要的一步:热等静压。

热等静压的目的是将松散的粉末变得致密化,最后得到致密的粉末合金。

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小朋友有可能会想,这个是不是在折腾啊?刚才刚把致密的棒料变成松散的粉末,现在又把松散的粉末压成了致密的棒料,这么折腾到底是为了啥?
第一,可以让它的材质更加均匀。第二,提高性能。

粉末冶金的环节非常多,而且影响因素也非常复杂,举两个影响工艺的最重要的环节。

一个是粉末填充,因为必须填充到一定的致密度,保证其稳定,才能保证后面工序的进行。

影响填充的一个最重要的因素就是粉末粒度,即粉末颗粒的大小对它到底有什么影响。

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左图就是洁净的雾化制粉机制备的粉末颗粒,它呈现一个完美的球形,但它是大大小小的球。
它的平均粒度大概是100个微米,就是两根或一根头发丝那么粗。如果要把这些松散的粉末填充到包套或模具中不太容易。

右上角的图是一个圆柱形的包套,靠重力加以振荡,基本上是能够进去的。

但是像右下角的图,它有很多流道,还有一些浇口、冒口以及补缩机构,这样填充起来就比较困难。

它不像水,如果水要灌到包套中,就可以流到各个角落,但是粉末就比较难了。

我们的解决方案是采用大颗粒和小颗粒相结合,因为大颗粒的流动性比较好,可以“骨碌”过去。

但是它填充性能比较差,因为它比较大,会堵住一些粉末模具中的间隙。

小颗粒的填充性非常好,因为它比较细小,可以填充到模具的各种角落中,但是由于团聚和静电吸附,它的流动性比较差。

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所以我们的解决方法就是大颗粒小颗粒相结合,而且摸索出一套行之有效的、可以达到一个良好致密度的填充方案。
现在我要着重介绍一下热等静压。

热等静压是钛合金粉末成形的一个重要方式,它的目的是使松散的粉末致密化。

“热等静压”这四个字,实际上包含了三个词,第一是“热”,第二是“压”。

热,顾名思义,我们要在热等压炉中给它提高很高的温度。

压,就是要压力给它压扁,压力是靠惰性气体,通常是高纯氩气来实现的。

八字财库双全,但因财运势一般,顶多有些小钱的命
  
  先生,我从大学参加工作就一直在企业上班了,到现在也有个快三十年了,这三十多年来我结婚生子,又把孩子抚养成人,再到孩子结婚,生活过得平平淡淡,夫妻关系且还算融洽,偶尔也会有吵吵闹闹,但我却从来不会生气,我感觉这才是人间烟火的生活。
  
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  我是之前有过一点做兼职销售的经历,卖一些洗化用品,收入还算可以,打算着等正式退休之后就继续干这个,就问下先生看看我往后这些年还有多少财运,事业运当如何?当下应该注意什么?我男,壬子、丁未、庚申、己卯,多谢!
  
  师傅分析答复:乾造:壬子、丁未、庚申、己卯(子丑临空)。现在是在壬子(43到53岁)大运中。
  
  一看五行喜忌:庚金生于未月得令,又坐申金有本气根,又有时干己土生身,此为身旺之命,以水木火为喜用,其余为忌。
  
  二看命局动态信息:局中官印透干贴身,必有稳定工作,且也容易有一定的职位或者权利,财库双全说明你非贫穷之命,然年月子未相害,且子水临空,印制食伤,财源有受损临空的象,挣不到大钱,却也缺不了钱花。
  
  且地支又有子卯相刑,容易因钱财问题而烦恼。
  
  三看岁运情况:目前是在壬子大运中,干透食伤泄秀而生财,且大运与年柱伏吟,这十年上财运方面会比较顺的。
  
  其中21年辛丑,土金忌神年,收入方面多不如意,且也需要注意外人口舌是非;22年壬寅以及23年癸卯,水木喜用,天干透水食伤泄身而生财,预示着财源稳固,收入方面会大为改观。
  
  到24年之后进入癸丑大运,癸水伤官虽有泄身只能,但却为坐下丑土截脚,且癸水伤官透出见原局丁火官星而成伤官见官,容易在事业上起起伏伏,或者事业方面有变动,或是有辞职之象,因食伤主动,再加上你自身也总是想着能多得些钱财,但却因财运一般,顶多有些细水长流的小钱。
  
  在一个,你这个原局中子未有害,且子水临井宿,自身易有脾胃方面之疾,另外你这个往后得少吃些腥辣寒凉的东西,能有些温补的还好,以避免以后因肠道脾胃方面的消化系统出现困扰。
  
  结语:很多人虽然都心有所想,但却很少有人能为来看愿望而不懈的坚持着努力着,也很少有人能为了一个目标而始终的坚持执行下去。因为人生总是会有这样或那样的来自外界的干扰。我们每个人都向往着成功,但是内心所想的同时更需要的是排除外在干扰,需要在内心不断的提醒着自己,要不断的朝着目标前行。
  
  更要相刑自己的心之所想,清楚的告诉自己你想要的是什么,并为之不断的努力奋斗。
  
  只有时刻的保持这种“想要”的念头,你才能有彻底抛开其他一切阻挠它实现的因素。最后我们会发现,所有的“我想”都变成了“我要”“我一定”。想都不敢想的事情,未必就是我们无法做到的事情。大胆的坚持心之所向,方知自己的潜力有多大。

在家靠父母,在外靠朋友
今晚凌晨,感谢所有帮助我的好友miluji 怡宝
你们我永远放在心里
也感谢李先生连夜奔赴以及彻夜守候
最近事情太多,压力太大
还好一切还算如期所愿
接下来的日子我要好好休息一段时间
不打算出去玩或者别的安排了
毕竟差点烧出天际[怒][怒][怒][怒]
39.5真的变成喷火龙
还被怀疑是颅内问题,幸好幸好
一进发热门诊隔离
我就不停的哭,感谢李护士不厌其烦的安慰
身体是革命的本钱
切记切记
Ps 核酸阴性


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