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去不掉的火箭发动机“锈疾”——亟待攻克的核心技术
发布:kittyll   时间:2018/6/29 10:59:13   阅读:1487 
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“不锈钢能不能不生锈?”这个有点黑色幽默的问题,几乎让中国航天科技集团六院发动机专家、长征五号运载火箭副总设计师陈建华落下心病。

在我国120吨级液氧煤油补燃循环发动机YF-100的研制过程中,陈建华注意到好几种高强度不锈钢都容易生锈。从2011年开始,他跟老朋友,钢铁研究总院特殊钢研究所副所长苏杰无数次沟通,双方压力都很大。

如今,长征六号、七号、五号火箭相继首飞了,陈建华仍没有得到完全让人信服的答案。

强度和防锈性能是对矛盾体

用于火箭发动机的钢材需具备多种特性,其中高强度是必须满足的重要指标。苏杰向科技日报记者介绍,过去我国火箭发动机上采用的奥氏体不锈钢,屈服强度约为300兆帕,而新一代运载火箭所用材料,强度是其2到4倍。

然而,不锈钢的强度和防锈性能,却是鱼和熊掌般难以兼得的矛盾体。

“需要明确一个概念,不锈钢是会生锈的。”苏杰说,“简单来讲,钢材的耐蚀性主要依靠合金元素‘铬’的含量,但如果该元素加得太高,强度就上不去。因此高强度的材料,防锈能力一定会较差。”

北京科技大学材料科学与工程学院教授李静媛补充说,提高不锈钢强度常用的方法是析出强化。在热处理工艺中,钢材料内部会析出一些微粒,弥散分布于基体中导致硬化。“但是,微粒析出的位置会出现缺陷,缺陷处合金元素减少、组织结构出现差异,破坏了金属材料的均匀性,就容易发生腐蚀,也就是通常所说的‘生锈’。”她表示。

陈建华表示,火箭发动机材料如果只是有点浮锈问题不大,但如果严重生锈,可能带来很大影响。

假设阀门的阀芯生锈,会使阀门在开合过程中遇到阻力,导致反应速度出问题。如果锈得厉害,还可能发生泄漏。要是管道生锈,锈块随着燃料流动,可能引起堵塞。

世界难题:国外发动机材料也生锈

生锈问题带来的苦恼,陈建华深有体会。“为了防锈,我们规定发动机见水不能超过几小时。可发动机沾水在所难免。例如做水力试验,每次做完得赶紧把发动机拉回厂里,放进炉子烘干。”他说,“长征五号火箭只能在海南文昌发射,暴露在潮湿环境下多久会生锈?我只关心这个。”

他有一块国外发动机材料,放在仓库多年依旧光亮。

苏杰坦陈,我国在新材料研发方面与发达国家还有差距,目前主要处于仿制阶段。现在我国航天材料大多用的是国外上世纪六七十年代用的材料,只是如今工艺技术更先进,生产的同样材料性能更好。

李静媛对此颇为忧虑:如果遇到高端产品,国外不公开材料成分、工艺,我们难免会被“卡住脖子”。

同时她认为,我国拥有一流的设备,但管理水平与国外存在差距。例如发达国家在生产过程中会严格控制杂质含量,如果纯度不达标,便重新回炉,但国内厂家往往缺乏这种严谨的态度。

不过苏杰说,陈建华那块国外材料后来被拿到海南,与国产材料做对比,结果两者同时生锈。“完全依靠材料自身实现高强度和防锈性能兼备,这是世界性难题。”苏杰表示。

鱼和熊掌兼得需借助外援

李静媛认为,要实现鱼和熊掌兼得,可以进行更为科学的成分设计,例如加入抗蚀性元素、强化元素等,并对各元素的加入量进行科学配比。

但苏杰认为,这是理论性的方向,正确但不适用。“对于航天动力这样高强度级别的材料,我们已经尽可能优化,兼顾了耐蚀性。”他说,“耐蚀性更好的材料有很多,但我们的核心不在于保证不生锈,而是强度、韧性等多方面性能的匹配。”

其实航天材料防锈并非不能实现,只是需要借助“外援”。苏杰说,通过材料和工艺配合,一方面利用材料自身防锈能力,一方面采用表面涂层处理或往材料内腔注入干燥空气、氮气等辅助手段,已经解决了生锈问题。

陈建华表示,六院也针对生锈问题专门开展了试片研究,并对产品适应性进行了充分考核验证。通过对贮存5年的发动机进行多次考核,发现其工作状况良好。

但他仍没有完全放心。陈建华说,对于我国正在发展的可重复使用火箭发动机,使用时间更长,其内部要反复经受煤油浸泡,又不能拆开处理,对防锈能力的考验会更严峻。又如我国新一代运载火箭,现在是无人发射,将来要是载人,安全可靠性要求更高。生锈问题到底有没有影响?这些问题必须搞清楚。

来源: 科技日报
 
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