去不掉的火箭发动机“锈疾”——亟待攻克的核心技术

陈笑11

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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。
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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。
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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。
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强度和防锈性能是对矛盾体

  {: U! E3 [+ Z, m' C' @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。

1 P. M3 h7 J0 s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。
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% z: \/ k( n+ g% Q: R0 l, p9 T“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。
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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。
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+ D  y" ^' ]2 {: E% }# W8 O* }世界难题：国外发动机材料也生锈
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3 e4 X* L# u) m1 ~0 o  F8 l% I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。”
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! C5 O) U- I, T. a% T他有一块国外发动机材料，放在仓库多年依旧光亮。
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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。
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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。

9 w. _/ z- V4 k鱼和熊掌兼得需借助外援
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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。
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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。
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9 V' d) p, x: R+ T4 [4 ?! a- ^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。
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5 b0 S8 T/ B" _9 [9 {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。
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