去不掉的火箭發(fā)動機(jī)“銹疾”

亟待攻克的核心技術(shù)

“不銹鋼能不能不生銹?”這個有點黑色幽默的問題，幾乎讓中國航天科技集團(tuán)六院發(fā)動機(jī)專家、長征五號運載火箭副總設(shè)計師陳建華落下心病。

在我國120噸級液氧煤油補燃循環(huán)發(fā)動機(jī)YF-100的研制過程中，陳建華注意到好幾種高強(qiáng)度不銹鋼都容易生銹。從2011年開始，他跟老朋友，鋼鐵研究總院特殊鋼研究所副所長蘇杰無數(shù)次溝通，雙方壓力都很大。

5月21日5時28分，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征四號丙運載火箭，成功將探月工程嫦娥四號任務(wù)鵲橋號中繼星發(fā)射升空。圖為發(fā)射現(xiàn)場。中新社發(fā) 梁珂巖 攝

如今，長征六號、七號、五號火箭相繼首飛了，陳建華仍沒有得到完全讓人信服的答案。

強(qiáng)度和防銹性能是對矛盾體

用于火箭發(fā)動機(jī)的鋼材需具備多種特性，其中高強(qiáng)度是必須滿足的重要指標(biāo)。蘇杰向科技日報記者介紹，過去我國火箭發(fā)動機(jī)上采用的奧氏體不銹鋼，屈服強(qiáng)度約為300兆帕，而新一代運載火箭所用材料，強(qiáng)度是其2到4倍。

然而，不銹鋼的強(qiáng)度和防銹性能，卻是魚和熊掌般難以兼得的矛盾體。

“需要明確一個概念，不銹鋼是會生銹的。”蘇杰說，“簡單來講，鋼材的耐蝕性主要依靠合金元素‘鉻’的含量，但如果該元素加得太高，強(qiáng)度就上不去。因此高強(qiáng)度的材料，防銹能力一定會較差。”

北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授李靜媛補充說，提高不銹鋼強(qiáng)度常用的方法是析出強(qiáng)化。在熱處理工藝中，鋼材料內(nèi)部會析出一些微粒，彌散分布于基體中導(dǎo)致硬化。“但是，微粒析出的位置會出現(xiàn)缺陷，缺陷處合金元素減少、組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異，破壞了金屬材料的均勻性，就容易發(fā)生腐蝕，也就是通常所說的‘生銹’。”她表示。

陳建華表示，火箭發(fā)動機(jī)材料如果只是有點浮銹問題不大，但如果嚴(yán)重生銹，可能帶來很大影響。

假設(shè)閥門的閥芯生銹，會使閥門在開合過程中遇到阻力，導(dǎo)致反應(yīng)速度出問題。如果銹得厲害，還可能發(fā)生泄漏。要是管道生銹，銹塊隨著燃料流動，可能引起堵塞。

世界難題：國外發(fā)動機(jī)材料也生銹

生銹問題帶來的苦惱，陳建華深有體會。“為了防銹，我們規(guī)定發(fā)動機(jī)見水不能超過幾小時?？砂l(fā)動機(jī)沾水在所難免。例如做水力試驗，每次做完得趕緊把發(fā)動機(jī)拉回廠里，放進(jìn)爐子烘干。”他說，“長征五號火箭只能在海南文昌發(fā)射，暴露在潮濕環(huán)境下多久會生銹?我只關(guān)心這個。”

他有一塊國外發(fā)動機(jī)材料，放在倉庫多年依舊光亮。

蘇杰坦陳，我國在新材料研發(fā)方面與發(fā)達(dá)國家還有差距，目前主要處于仿制階段?，F(xiàn)在我國航天材料大多用的是國外上世紀(jì)六七十年代用的材料，只是如今工藝技術(shù)更先進(jìn)，生產(chǎn)的同樣材料性能更好。

李靜媛對此頗為憂慮：如果遇到高端產(chǎn)品，國外不公開材料成分、工藝，我們難免會被“卡住脖子”。

同時她認(rèn)為，我國擁有一流的設(shè)備，但管理水平與國外存在差距。例如發(fā)達(dá)國家在生產(chǎn)過程中會嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，如果純度不達(dá)標(biāo)，便重新回爐，但國內(nèi)廠家往往缺乏這種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

不過蘇杰說，陳建華那塊國外材料后來被拿到海南，與國產(chǎn)材料做對比，結(jié)果兩者同時生銹。“完全依靠材料自身實現(xiàn)高強(qiáng)度和防銹性能兼?zhèn)?，這是世界性難題。”蘇杰表示。

魚和熊掌兼得需借助外援

李靜媛認(rèn)為，要實現(xiàn)魚和熊掌兼得，可以進(jìn)行更為科學(xué)的成分設(shè)計，例如加入抗蝕性元素、強(qiáng)化元素等，并對各元素的加入量進(jìn)行科學(xué)配比。

但蘇杰認(rèn)為，這是理論性的方向，正確但不適用。“對于航天動力這樣高強(qiáng)度級別的材料，我們已經(jīng)盡可能優(yōu)化，兼顧了耐蝕性。”他說，“耐蝕性更好的材料有很多，但我們的核心不在于保證不生銹，而是強(qiáng)度、韌性等多方面性能的匹配。”

其實航天材料防銹并非不能實現(xiàn)，只是需要借助“外援”。蘇杰說，通過材料和工藝配合，一方面利用材料自身防銹能力，一方面采用表面涂層處理或往材料內(nèi)腔注入干燥空氣、氮氣等輔助手段，已經(jīng)解決了生銹問題。

陳建華表示，六院也針對生銹問題專門開展了試片研究，并對產(chǎn)品適應(yīng)性進(jìn)行了充分考核驗證。通過對貯存5年的發(fā)動機(jī)進(jìn)行多次考核，發(fā)現(xiàn)其工作狀況良好。

但他仍沒有完全放心。陳建華說，對于我國正在發(fā)展的可重復(fù)使用火箭發(fā)動機(jī)，使用時間更長，其內(nèi)部要反復(fù)經(jīng)受煤油浸泡，又不能拆開處理，對防銹能力的考驗會更嚴(yán)峻。又如我國新一代運載火箭，現(xiàn)在是無人發(fā)射，將來要是載人，安全可靠性要求更高。生銹問題到底有沒有影響?這些問題必須搞清楚。

關(guān)鍵詞： 蘇杰 陳建華