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攻关五年 图纸变为现实 ——大尺寸钛合金喷管的研制之路

2023-01-05 02:09  西北信息报  字号:T|T

2027年前后,新一代载人运载火箭将具备把中国人送上月球的能力;未来,我国的新一代载人运载火箭将承担起火星探测、木星探测、小行星探测等任务……

2022年12月13日,带着憧憬,记者走进中国航天科技集团六院。在这里,记者获悉:2022年10月,我国新一代载人运载火箭二级液氧煤油发动机累计完成3次650S研制试车,为推动中国航天实现载人登月计划迈出了一大步。这3次650S研制试车成功最核心的技术支持,便是来自西安航天发动机有限公司(以下简称西发公司)全新研制的大尺寸钛合金喷管。

看似简单的锥形结构钛合金喷管,科研人员却用了5年时间才将它从图纸变为现实。5年来,西发公司不断攻克技术难题,最终突破了大尺寸钛合金喷管全部关键制造技术,为中国航天事业发展作出贡献。

从零开始,破解大尺寸钛合金喷管制造难题

记者在西发公司5车间看到,技术人员正在仔细测量直径2米多的钛合金喷管。液氧煤油发动机型号总工艺师张和平告诉记者:“我们研发的新一代载人运载火箭二级发动机直径达到2米多,在未来将执行载人登月任务。为了降低发动机重量,提高火箭有效运载能力,我们于2017年启动研发大尺寸钛合金喷管。相比于不锈钢喷管方案,发动机推力室喷管选用钛合金材料,重量可减轻约25%。”

我国现役主动力液体火箭发动机再生冷却喷管均选用不锈钢材料,国内尚无大尺寸钛合金喷管研制生产经验。工艺处型号主管胥栋衡告诉记者:“自研制任务立项以来,科研团队遇到了钛合金喷管内外壁成型难、钛合金薄壁铣槽加工难、钛合金喷管中间层制备难、钛合金喷管钎焊难等一系列技术难题。”这些难题一遍遍考验着科研人员,而科研团队只能“从零开始”研究。

钛合金喷管具有尺寸大、曲面不规则等特点,且钛合金屈强比高,比钢材轻,使用传统工艺加工后容易破裂,很难在常温下成型。要得到型面精密贴合的喷管内、外壁难度极大,考验着西发公司3车间钣金成形攻关团队。科研人员崔珊珊说:“2017年,我们一直停留在论证探索阶段,研究工艺方案的可行性。2018年我们开始零件试制,逐步确定工艺参数。为保证内、外壁钎焊时的型面尺寸一致,必须采用同步成形的方案,完成零件型面加工。我们遇到的工艺控制难点是热成形与整体热校形。”攻关团队充分调研外部资源,深入分析试验结果,最后总结出了最佳的制造工艺,解决了大尺寸钛合金喷管内外壁成型难题。然而,破解钛合金喷管成形难题,只是攻克任务的开始。之后,科研人员又开始攻克钛合金“铣槽”加工难题。

火箭发动机喷管内壁的外表面分布着数千条槽深均匀的燃料通道。航天人把加工燃料通道的加工过程称为“铣槽”。由于钛合金喷管存在材料切削加工性差、结构尺寸超出现有设备的能力、型面不规范等难点,钛合金薄壁大喷管“铣槽”技术在我国尚属空白。

科研人员李红丽带队钛合金喷管“铣槽”课题组,首先遇到的难题就是工件太大、工装太重、机床无法承载。课题组与工装设计成员齐心协力给工装瘦身之后,又遇到钛合金的切削难等问题。李红丽回忆说:“当第一台钛合金内壁交来‘铣槽’时,工件与工装之间贴合的间隙达到数毫米,严重不贴胎。原本一对铣刀在不锈钢产品上可以‘铣槽’50多条,但钛合金喷管铣一条槽就得报废10多对刀,这让我们最头痛。没有可借鉴的技术,‘铣槽’质量更无从谈起。”

为解决难题,李红丽查阅了大量资料,从钛合金材料性能开始研究,又与多家刀具厂联合研制多种刀具,进行了大量的铣削试验以摸索切削参数。面对首件产品带来的新困难,技术人员集思广益研制新的刀具、摸索新的切削参数,操作工王宝恒累到生病仍在配合研发。课题组成员拧成一股绳,针对不同的切削状况,优化刀具及切削方案。当第十种刀具能够完整铣一条槽、两条槽、数十条槽时,大家终于松了一口气。

经过长达3年的攻关,钛合金大型薄壁件“铣槽”技术取得重大突破,获得多项国家发明专利,也为实现钛合金喷管钎焊奠定了技术基础。

填补空白,攻克钛合金钎焊技术

研制任务立项之初,大尺寸钛合金喷管涉及铜—钢—钛3种金属的连接。钛合金无法通过熔焊方法直接与铜合金、不锈钢实现连接,而钛—铜、钛—钢、钛—钛的钎焊技术是制造液氧煤油发动机的最关键一步。

西发公司14车间科研人员权琳琳说:“在产品钎焊过程中,我们要找像‘胶水’一样的中间层,相当于钎料。把它们均匀镀在钛合金喷管零件上,才能把多种金属钎焊在一起。钎焊中间层是不可或缺的,且中间层的质量直接影响着产品的钎焊质量。钎焊中间层制备技术的研究始于2017年初,当时国内、国外还没有大尺寸薄壁钛合金电镀成功的报道,想要制备出质量合格的中间层难度非常大。”

面对行业性难题和技术壁垒,车间技术工人迎难而上,积极组织开展钛合金喷管钎焊中间层制备的工艺攻关。在攻关过程中,由于能够查阅的文献较少,研发人员只能通过一遍遍试验摸索配方和参数。

新配溶液,摸索参数,再改进溶液配方……这样的循环不知道经历了多少次,他们依然未能获得理想的溶液配方。

车间组织开展多种技术同时论证。“喷涂的涂层不致密、电镀镀覆层无法实现”“这么大的尺寸、这么厚的镀层,真空镀覆怎么实现”……“像这样的讨论与争执,那个时候每天都能听到。”权琳琳说,大家坚信失败只是暂时的,终有拨云见日之时。最终,在2022年3月,科研人员共突破3项关键技术,终于研制出质量合格的钎焊中间层,掌握了国内首个大尺寸、薄壁钛合金电镀铜核心技术,为钎焊作好充足准备。

西发公司5车间推力室研制团队责任人吴振中查阅了大量国内外文献资料,了解到大尺寸钛合金喷管钎焊研制极为困难。“首先是钛合金材料在高温下性能变化较大、钎焊后较难成型,其次是钛合金、铜合金、不锈钢的材料特性差异较大,较难实现钎焊连接。”吴振中说。

“团队从2017年开始攻关课题,直到2021年才突破钛合金喷管中间层制备及钎焊难题。那时已逼近发动机总体研制节点,时间紧、任务重。”吴振中回忆道。为了赶进度,研制团队在半年时间内完成了百余次钎焊试验,快速分析、快速迭代,以获得最优方案。

吴振中告诉记者:“在研发过程中,我们成功完成了多台模拟件钎焊,但在正式产品生产时,连续两台产品钎焊质量未能达到要求,造成研制进度受阻。那时离交付产品的时间不到1个月。”

面对国家重大任务的迫切需要,西发公司研制团队开展发生问题再分析、专业技术再研究、确定方案再验证工作。研制队伍静下心来重新思考“来时的路”,创新性地提出“在保证结构强度的前提下避开接头不成型区间”,采用此方案在短时间内完成了2件模拟件试验,试验件接头成型、结构强度满足要求。在仅剩下1件钛合金喷管产品的情况下,研制团队对提出的方案编制了专题评审报告,组织专家对产品工艺方案“号脉”。最终,科研人员采用新方案钎焊的钛合金喷管成型良好,结构强度满足使用要求,研制团队快马加鞭完成推力室生产,并交付试车考核。

雄关漫道真如铁,而今迈步从头越。在追求真理的科学精神指引下,在全体科研人员的共同努力下,科研人员完全掌握了大尺寸钛合金喷管全部关键制造技术,使我国成为继俄罗斯之后掌握此技术的第二个国家,为我国进一步开展深空探测提供了强大技术支持。杜玮

本文原载于兵马俑在线(www.wmxa.cn),转载请保留本链接,敬谢!

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