去不掉的火箭发动机“锈疾”——亟待攻克的核心技术

陈笑11

& A. G1 @1 A, F" u8 o) L

" W( k- R8 G; v2 T  a5 Q# X! j“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。
+ y& H, L: ^' w' V; {$ n& x
. o9 S% D- M2 o6 E) i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。
+ ]6 L) G9 a# D6 `) u2 p3 }
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。

6 A' t% \) j% u2 |+ L4 r1 u强度和防锈性能是对矛盾体

6 M" W" ?3 F3 i$ }- ]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。
' f' B; ?  K& F. f, h1 S- E6 x
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。
4 S1 Y$ o3 L0 n1 y
“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。
8 d! S6 z" ^  A1 J; J9 Z
1 F7 ]7 K4 g% i; Y4 N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。

) L  q8 ~: r5 m8 _7 K, F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。
& s8 u2 {+ E5 f5 Q* j
世界难题：国外发动机材料也生锈
1 r2 ?; R; Y9 g# E$ Z
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。”

1 B' K0 C! _  Q: i7 X8 ]( g( O他有一块国外发动机材料，放在仓库多年依旧光亮。
( Q9 ^" E! Y: S; a
1 _$ O  {9 `( i) c9 q$ I- F2 Z& L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”。
+ C3 m) ^: M$ P0 W3 ?0 w0 k" l
, ~  |8 ~7 h  M# V; N1 e8 ~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。

: U; N+ e/ x* o2 A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。

" V- @) j3 A0 Z1 j+ O; [5 ^  B0 [* A鱼和熊掌兼得需借助外援
8 c, a/ _: U* ^6 M; h7 S
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。

/ [& O7 Z/ v8 k. p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。”
9 b1 e# N' @( X, O
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。

" P) A. U+ ]7 K( e( e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。
6 z8 V# t4 j" t0 N  C( H3 Q- z
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。
, n7 G9 {7 W2 ~: C, s7 d& s! g$ D
更多信息请进：维氏硬度计 http://www.bypi.cn/
' D# E6 n& B: c; r