长征五号B运载火箭的氢泵涡轮诞生记

5月5日，中国长征五号乙运载火箭成功完成首次飞行，在近地轨道运载能力超过22吨。这是目前中国在低地球轨道上最大的运载火箭。

长征五号乙运载火箭的心脏部位有一个核心部件——氢泵涡轮，它是由中国科学院金属研究所(以下简称金属研究所)的研究小组研制的。

该项目负责人、金属研究所钛合金研究部主任杨锐带领的研究团队已经攻克了钛合金粉末近净成形技术，并已用于2016年以来长征五号的首次发射。

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氢泵涡轮的作用是将火箭体内的大量液态氢燃料高速输送到发动机的燃烧室，并与液氧混合产生推力杨瑞告诉《中国科学》，“如果氢泵的涡轮有问题，火箭会因为失去动力而立即坠落。”

2000年至2005年，在国家有关部门的支持下，金属研究所钛合金研究部引进并建成了国内第一台钛合金清洁雾化粉碎设备。杨瑞说:“最初的计划是开发航空发动机部件，但当时想法太超前，没有国内需求或资金支持渠道。”

为此，杨锐不得不寻求国际合作的资金支持。2006年，金属研究所和欧洲研究机构共同申请了第六个欧盟框架计划下的中欧航空合作项目“钛合金粉末近净成形”。尽管合作项目未获批准，但学术交流仍在继续。

杨瑞是2008年2月在美国圣地亚哥举行的国际高温结构金属间化合物会议的四位主席之一。然而，他无法出席，因为他没有及时获得签证。他直到会议结束后3个月才拿到签证，刚好赶上5月份在美国加州长滩举行的第六届国际流体静力学会议。

会上，关于钛合金粉末热等静压的两篇报道引起了杨瑞的注意。两份报告都是关于火箭氢氧发动机氢泵涡轮的制备:一份报告来自俄罗斯莫斯科化学加工研究所，研究如何提高钛合金粉末的性能；另一个来自日本金属技术公司，模拟粉末的热等静压过程。

听到这两个报告后，杨瑞的眼睛亮了。这是他寻找了两年的钛合金粉末的应用出口。

立即辞职，回到学院

2008年8月，长征五号氢氧发动机氢泵透平作为配套项目正式发布。“当时，两个单位已经研究这个问题一段时间了，但进展并不令人满意。总体单位提出这一关键任务进行公开招标，以确保氢氧发动机的发展进程。”杨锐清楚地记得提交项目申请的截止日期是2008年10月31日。

“准备项目防御的时间很紧，只有一个多月。这个团队面临的是一个没有任何前期工作基础的短板。”杨瑞告诉记者:“科学研究就像打仗。士兵们毫无准备和不确定地投入战斗是一大禁忌。”

为此，杨瑞紧急召集组员制定对策，立即开始研究，希望在项目答辩前掌握关键数据，支持研究计划，并任命当年刚毕业两年的博士徐磊为研究骨干。

科研条件满足后，人是最关键的因素。2002年粉末装备建设期间，杨瑞聘请徐磊博士为后备人才，开展钛合金清洁粉末冶金研究。由于缺乏合格的设备安装场地，重建房子花了3年多的时间。在金属研究所攻读博士期间，徐磊从未获得合格的粉末。

“整个研究充满坎坷，令人不满意，直到医生毕业答辩，设备才安装完毕。”徐磊告诉《中国科学新闻》，2007年毕业后，他在南京福特汽车公司找到了一份工作。

一年后，当徐磊听说设备终于安装好了，他立即辞职，回到金属研究所继续这方面的研究工作。可以说他起初没有改变主意。

氢泵涡轮以负253度的高速旋转，承受巨大的负载。粉末冶金制备的钛合金性能能否满足应用要求是该项目面临的首要挑战。

杨瑞带领团队加班加点，在短时间内完成了母合金、电极、铣削、覆盖、热等静压、样品加工和性能测试的全过程。通过反复试验和参数优化，刘、研究室副主任、研究员雷嘉峰等。这也在确保按计划完成工作方面发挥了重要作用。

低温机械性能测试环境苛刻。当时，只有中国科学院物理化学技术研究所低温中心具备相关条件和资质。中心主任李来峰获得了金属学硕士学位。收到请求后，他充分协调了加班测试，这极大地帮助了团队及时获得性能数据。

试验结果表明，所制备的粉末合金性能稳定地高于技术指标的要求，良好的开端给团队以极大的鼓舞。杨瑞说:“当时有四个队参加比赛，但在回答时，两个队暂时退出。最终，我们赢得了坚实的工作基础和详细而具体的研究计划。”

一个熟练的人是勇敢的。

尽管这个项目已经获得，但杨瑞的团队还是第一次对粉末冶金零件进行了研究。“文献只显示了总体轮廓和最终结果，没有提到关键技术和工艺流程。发展的困难是可以想象的。”

“该项目的名义研究周期为五年，但用户需要尽快进行一系列测试，而且没有可用的测试件。他们“在等着把米放进锅里”，所以交流需要非常紧密的进展杨瑞表示，氢泵涡轮属于封闭型腔结构，不能在内部加工，成型后尺寸精度要求高。然而，当粉末被致密化时，体积收缩率高达30%，使得控制复杂形状的尺寸极其困难。“这是该项目遇到的最大技术障碍。如果我们仅仅依靠一轮又一轮的重复实验来优化尺寸，成本会非常高，而且时间是不允许的。”

当时，首席科学家杨瑞政承担了材料计算与设计的“973”项目，团队在材料计算与模拟方面积累了良好的经验。在开始零件成形试验之前，徐磊进行了大量的模拟计算，这在优化导管架设计和快速接近理论尺寸方面发挥了重要作用，有效地减少了必要的试验验证次数，并使开发周期大大缩短成为可能。

涡轮机的空腔通过放置内芯来实现。如果采用硬核，虽然有利于控制高温成形时的尺寸，但冷却时零件的内部结构容易开裂。如果使用软芯，虽然可以避免裂缝，但更难控制尺寸。

由于杨锐的团队掌握了计算和模拟成形过程的关键技术，他们控制尺寸的能力显著增强。所谓“技术人胆大”。杨瑞的团队采用了软芯方案，成功地解决了尺寸精度和成型裂纹之间的矛盾。

此外，涡轮机核心的移除需要选择性腐蚀技术。被金属腐蚀的科学技术有着深厚的积淀。该团队迅速解决了问题，并在董俊华研究员等人的帮助下，优化了方案，缩短了零部件制造周期。

在克服上述技术困难的基础上，金属研究所团队在一年半时间内生产出合格的氢泵涡轮样品，为氢氧发动机的发展提供了有力支持。