中科院金屬所有一群航空航天事業(yè)中的“心臟科醫(yī)生”。他們在研制應(yīng)用新材料的科研一線奮斗的目標(biāo)，就是讓航空發(fā)動機(jī)更長壽

在金屬所鈦合金研究團(tuán)隊看來，擁有一支年輕隊伍、一批*人才，是他們*大的戰(zhàn)略資源，也是事業(yè)發(fā)展*堅實的基礎(chǔ)

頻頻完成高難度運(yùn)載任務(wù)的長征五號B運(yùn)載火箭（下稱長五B），是知名的“航天勞模”。

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。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，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)動機(jī)內(nèi)的核心部件——氫泵葉輪。

零下253攝氏度的液氫環(huán)境內(nèi)，氫泵葉輪需在短時間內(nèi)將液氫高速輸送到發(fā)動機(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，實現(xiàn)“供血”通暢。

要實現(xiàn)這一目標(biāo)，增強(qiáng)氫泵葉輪材料性能至關(guān)重要。

2008年，針對長征五號氫氧發(fā)動機(jī)設(shè)計單位提出的緊急需求，金屬所項目負(fù)責(zé)人楊銳選用徐磊等研究骨干，組建攻關(guān)團(tuán)隊承接項目，啟動相關(guān)研究。

國際常采用粉末冶金成形新技術(shù)制造氫泵葉輪。可團(tuán)隊*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)要有成果的時間要求，更放大了研制難度。

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)定等多個難點，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)時領(lǐng)導(dǎo)的鈦合金研究部正承擔(dān)的某材料計算設(shè)計重點項目，該項目在材料計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)隊開展大量模擬計算，反復(fù)試驗優(yōu)化參數(shù)，又憑借金屬所多學(xué)科助力充實團(tuán)隊力量，*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)隊攻克多項技術(shù)難題，終于研制出合格的氫泵葉輪部件，為氫氧發(fā)動機(jī)的研制提供了有力支撐，奠定了長征五號2016年成功發(fā)射的基礎(chǔ)。

此后，“天和”“問天”“夢天”三個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)隊已牽頭承擔(dān)100余項*鈦合金研制任務(wù)。其中，團(tuán)隊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)動機(jī)，在原本減重1克都要絞盡腦汁的情況下，實現(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)隊計劃”，并組建“航空發(fā)動機(jī)長壽命關(guān)鍵材料及制造”青年團(tuán)隊，繼續(xù)突破航空發(fā)動機(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)隊將針對“鈦鋁低壓渦輪葉片”繼續(xù)開展耐疲勞性能等相關(guān)實驗，這也將為新型號大飛機(jī)的可靠飛行提供強(qiáng)有力保障。

讓航空發(fā)動機(jī)更長壽

在某種意義上，鈦合金研究團(tuán)隊如同航空事業(yè)中的“心臟科醫(yī)生”。他們在研制應(yīng)用新材料、對抗金屬疲勞的科研一線奮斗的目標(biāo)，就是讓航空發(fā)動機(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，往往需要一天時間，團(tuán)隊常常輪流實時記錄參數(shù)，工作到凌晨是常事。與時間賽跑，團(tuán)隊僅用14個月，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)看似簡單，成功率卻始終提不上去。“包套在熱等靜壓過程中應(yīng)該收縮，但沒想到好幾次實驗包套反而膨脹。有時都進(jìn)行到*后一步了還是失敗。有一段時間，夢里都是包套因為沒壓成功爆掉。”徐磊說。

為徹底掌握包套技術(shù)，徐磊干脆住進(jìn)實驗室，跟工人師傅在一起設(shè)計焊縫，選擇焊縫材料，對焊縫進(jìn)行檢漏，盡量多地采取機(jī)器人自動焊接。

跟關(guān)鍵技術(shù)死磕，讓鈦合金團(tuán)隊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)動機(jī)復(fù)雜部件成形。

鈦合金團(tuán)隊在對抗金屬疲勞方面的心得，則是膽大心細(xì)。

一次，研發(fā)團(tuán)隊成員劉仁慈在航空發(fā)動機(jī)葉片研制實驗中，偶然發(fā)現(xiàn)“硼”元素在增加。劉仁慈沒有輕易放過這個現(xiàn)象，他先帶領(lǐng)大伙檢測性能，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)動機(jī)葉片的每一次測試、每一次考核、每一次故障。對于發(fā)動機(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葉輪、一個零部件，或是材料從實驗室到中試廠房，再到大規(guī)模應(yīng)用，自己內(nèi)心都無比激動。“只要祖國需要我們，我們就會努力讓這顆跳動在航空事業(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)隊看來，擁有一支年輕隊伍、一批*人才，是他們*大的戰(zhàn)略資源，也是事業(yè)發(fā)展*堅實的基礎(chǔ)。

“培養(yǎng)年輕人的關(guān)鍵，是放手讓他們?nèi)ジ伞！毙炖谡f。

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備人才培養(yǎng)。“與大量項目、實驗的親密接觸，讓我實現(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)隊的一員。另據(jù)了解，2008年，鈦合金粉末近凈成形團(tuán)隊建立初期只有幾個人，如今這幾個人的學(xué)生都加入團(tuán)隊，并逐漸變成課題骨干和核心。

針對人才培育和引進(jìn)，金屬所初步構(gòu)建全鏈條人才計劃體系，連續(xù)出臺多項政策，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)者計劃實施辦法等。

針對人才需求，金屬所形成長期關(guān)注聯(lián)系的“長名單”和近期重點聯(lián)系對接的“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)隊計劃”支持，解決青年科研人員經(jīng)費(fèi)不足問題。同時，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*青年科技人才獎勵待遇。