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            鈦及鈦合金行業

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            攻關五年,圖紙變為現實 | 大尺寸鈦合金噴管的研制之路

               2023-01-05 630

              2022年12月13日,西安航天發動機有限公司推力室制造車間技術人員正在測量大尺寸鈦合金噴管。

              2027年前后,新一代載人運載火箭將具備把中國人送上月球的能力;未來,我國的新一代載人運載火箭將承擔起火星探測、木星探測、小行星探測等任務……

              2022年12月13日,帶著憧憬,記者走進中國航天科技集團六院。在這里,記者獲悉:2022年10月,我國新一代載人運載火箭二級液氧煤油發動機累計完成3次650S研制試車,為推動中國航天實現載人登月計劃邁出了一大步。這3次650S研制試車成功最核心的技術支持,便是來自西安航天發動機有限公司(以下簡稱西發公司)全新研制的大尺寸合金噴管。

              看似簡單的錐形結構鈦合金噴管,科研人員卻用了5年時間才將它從圖紙變為現實。5年來,西發公司不斷攻克技術難題,最終突破了大尺寸鈦合金噴管全部關鍵制造技術,為中國航天事業發展作出貢獻。

              從零開始,破解大尺寸鈦合金噴管制造難題

              記者在西發公司5車間看到,技術人員正在仔細測量直徑2米多的鈦合金噴管。液氧煤油發動機型號總工藝師張和平告訴記者:“我們研發的新一代載人運載火箭二級發動機直徑達到2米多,在未來將執行載人登月任務。為了降低發動機重量,提高火箭有效運載能力,我們于2017年啟動研發大尺寸鈦合金噴管。相比于不銹鋼噴管方案,發動機推力室噴管選用鈦合金材料,重量可減輕約25%?!?/p>

              我國現役主動力液體火箭發動機再生冷卻噴管均選用不銹鋼材料,國內尚無大尺寸鈦合金噴管研制生產經驗。工藝處型號主管胥棟衡告訴記者:“自研制任務立項以來,科研團隊遇到了鈦合金噴管內外壁成型難、鈦合金薄壁銑槽加工難、鈦合金噴管中間層制備難、鈦合金噴管釬焊難等一系列技術難題?!边@些難題一遍遍考驗著科研人員,而科研團隊只能“從零開始”研究。

              鈦合金噴管具有尺寸大、曲面不規則等特點,且鈦合金屈強比高,比鋼材輕,使用傳統工藝加工后容易破裂,很難在常溫下成型。要得到型面精密貼合的噴管內、外壁難度極大,考驗著西發公司3車間鈑金成形攻關團隊??蒲腥藛T崔珊珊說:“2017年,我們一直停留在論證探索階段,研究工藝方案的可行性。2018年我們開始零件試制,逐步確定工藝參數。為保證內、外壁釬焊時的型面尺寸一致,必須采用同步成形的方案,完成零件型面加工。我們遇到的工藝控制難點是熱成形與整體熱校形?!惫リP團隊充分調研外部資源,深入分析試驗結果,最后總結出了最佳的制造工藝,解決了大尺寸鈦合金噴管內外壁成型難題。然而,破解鈦合金噴管成形難題,只是攻克任務的開始。之后,科研人員又開始攻克鈦合金“銑槽”加工難題。

              火箭發動機噴管內壁的外表面分布著數千條槽深均勻的燃料通道。航天人把加工燃料通道的加工過程稱為“銑槽”。由于鈦合金噴管存在材料切削加工性差、結構尺寸超出現有設備的能力、型面不規范等難點,鈦合金薄壁大噴管“銑槽”技術在我國尚屬空白。

              科研人員李紅麗帶隊鈦合金噴管“銑槽”課題組,首先遇到的難題就是工件太大、工裝太重、機床無法承載。課題組與工裝設計成員齊心協力給工裝瘦身之后,又遇到鈦合金的切削難等問題。李紅麗回憶說:“當第一臺鈦合金內壁交來‘銑槽’時,工件與工裝之間貼合的間隙達到數毫米,嚴重不貼胎。原本一對銑刀在不銹鋼產品上可以‘銑槽’50多條,但鈦合金噴管銑一條槽就得報廢10多對刀,這讓我們最頭痛。沒有可借鑒的技術,‘銑槽’質量更無從談起?!?/p>

              為解決難題,李紅麗查閱了大量資料,從鈦合金材料性能開始研究,又與多家刀具廠聯合研制多種刀具,進行了大量的銑削試驗以摸索切削參數。面對首件產品帶來的新困難,技術人員集思廣益研制新的刀具、摸索新的切削參數,操作工王寶恒累到生病仍在配合研發。課題組成員擰成一股繩,針對不同的切削狀況,優化刀具及切削方案。當第十種刀具能夠完整銑一條槽、兩條槽、數十條槽時,大家終于松了一口氣。

              經過長達3年的攻關,鈦合金大型薄壁件“銑槽”技術取得重大突破,獲得多項國家發明專利,也為實現鈦合金噴管釬焊奠定了技術基礎。

              填補空白,攻克鈦合金釬焊技術

              研制任務立項之初,大尺寸鈦合金噴管涉及銅—鋼—鈦3種金屬的連接。鈦合金無法通過熔焊方法直接與銅合金、不銹鋼實現連接,而鈦—銅、鈦—鋼、鈦—鈦的釬焊技術是制造液氧煤油發動機的最關鍵一步。

              西發公司14車間科研人員權琳琳說:“在產品釬焊過程中,我們要找像‘膠水’一樣的中間層,相當于釬料。把它們均勻鍍在鈦合金噴管零件上,才能把多種金屬釬焊在一起。釬焊中間層是不可或缺的,且中間層的質量直接影響著產品的釬焊質量。釬焊中間層制備技術的研究始于2017年初,當時國內、國外還沒有大尺寸薄壁鈦合金電鍍成功的報道,想要制備出質量合格的中間層難度非常大?!?/p>

              面對行業性難題和技術壁壘,車間技術工人迎難而上,積極組織開展鈦合金噴管釬焊中間層制備的工藝攻關。在攻關過程中,由于能夠查閱的文獻較少,研發人員只能通過一遍遍試驗摸索配方和參數。

              新配溶液,摸索參數,再改進溶液配方……這樣的循環不知道經歷了多少次,他們依然未能獲得理想的溶液配方。

              車間組織開展多種技術同時論證?!皣娡康耐繉硬恢旅?、電鍍鍍覆層無法實現”“這么大的尺寸、這么厚的鍍層,真空鍍覆怎么實現”……“像這樣的討論與爭執,那個時候每天都能聽到?!睓嗔樟照f,大家堅信失敗只是暫時的,終有撥云見日之時。最終,在2022年3月,科研人員共突破3項關鍵技術,終于研制出質量合格的釬焊中間層,掌握了國內首個大尺寸、薄壁鈦合金電鍍銅核心技術,為釬焊作好充足準備。

              西發公司5車間推力室研制團隊責任人吳振中查閱了大量國內外文獻資料,了解到大尺寸鈦合金噴管釬焊研制極為困難?!笆紫仁氢伜辖鸩牧显诟邷叵滦阅茏兓^大、釬焊后較難成型,其次是鈦合金、銅合金、不銹鋼的材料特性差異較大,較難實現釬焊連接?!眳钦裰姓f。

              “團隊從2017年開始攻關課題,直到2021年才突破鈦合金噴管中間層制備及釬焊難題。那時已逼近發動機總體研制節點,時間緊、任務重?!眳钦裰谢貞浀?。為了趕進度,研制團隊在半年時間內完成了百余次釬焊試驗,快速分析、快速迭代,以獲得最優方案。

              吳振中告訴記者:“在研發過程中,我們成功完成了多臺模擬件釬焊,但在正式產品生產時,連續兩臺產品釬焊質量未能達到要求,造成研制進度受阻。那時離交付產品的時間不到1個月?!?/p>

              面對國家重大任務的迫切需要,西發公司研制團隊開展發生問題再分析、專業技術再研究、確定方案再驗證工作。研制隊伍靜下心來重新思考“來時的路”,創新性地提出“在保證結構強度的前提下避開接頭不成型區間”,采用此方案在短時間內完成了2件模擬件試驗,試驗件接頭成型、結構強度滿足要求。在僅剩下1件鈦合金噴管產品的情況下,研制團隊對提出的方案編制了專題評審報告,組織專家對產品工藝方案“號脈”。最終,科研人員采用新方案釬焊的鈦合金噴管成型良好,結構強度滿足使用要求,研制團隊快馬加鞭完成推力室生產,并交付試車考核。

              雄關漫道真如鐵,而今邁步從頭越。在追求真理的科學精神指引下,在全體科研人員的共同努力下,科研人員完全掌握了大尺寸鈦合金噴管全部關鍵制造技術,使我國成為繼俄羅斯之后掌握此技術的第二個國家,為我國進一步開展深空探測提供了強大技術支持。


             
            標簽: 鈦合金
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