叶轮 研制“胖五”心脏内这个不起眼的零件，科学家竟花费了12年
长征五号B型运载火箭是我国目前近地轨道推力最大的运载火箭，氢泵叶轮是火箭液氢液氧发动机的核心关键部件，研发难度极大，不仅因为它的工作环境苛刻，还因为它的铸造强度比较低。使用粉末冶金成形的工艺方法，更加节省材料，可以承担较高的转速，并且更为可靠。什么是粉末冶金成形？粉末叶轮怎么做？他们如何助力长征五号首飞？
出品：格致论道讲坛
以下内容为中科院金属研究所研究员徐磊演讲实录：
我今天给大家分享的主题是“氢泵叶轮攻关记”。
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这张照片我们一定不太陌生，这是我国目前近地轨道推力最大的运载火箭：长征五号B型运载火箭。在火箭液氢液氧发动机的心脏部位，有一个至关重要的核心部件，就是图片中画红框的位置。
为了这个核心关键部件，我和我的团队用了大概12年的时间，才把它研制成功，这个零件就叫“氢泵叶轮”。
我们首先看一下氢泵叶轮的工作环境和工作地点。
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左图是它工作在液氢液氧发动机的氢涡轮泵中，红圈的部位就是氢泵叶轮的工作地点。右图是我们现在做的给长征五号配套的XX-77和XX-75D的氢泵叶轮。
它看起来不是那么大，怎么研制起来难度这么大，用了十几年的时间？
我们先要看一下它的工作环境。
氢泵叶轮工作在氢涡轮泵中，也就是液氢的环境中，是零下253度。
它的作用是将火箭体内大量低温低压的液态氢气高速输送到燃烧室中，与燃烧室中的液态氧气爆炸混合，对火箭产生推力。
如果想在短时间内将液态氢气输送到燃烧室中，叶轮的转速达到每分钟35000转。
在如此高的转速下，它的轮缘线速度达到每秒430米，这是什么概念呢？
声音的速度是每秒340米，它比声音的速度还要快。
为了更形象地介绍氢泵叶轮的工作环境到底有多么苛刻，我举一个例子。
2012年，我针对这个问题，向当时长征五号火箭的副总师王维彬请教。王总告诉我，液氢经过氢泵叶轮加压以后，泵后压力达到16.5兆帕。
这就意味着氢泵叶轮要在短时间内将液氢输送到两万多米的高空，也就相当于三个珠穆朗玛峰的高度。
这么严苛的使用环境，除了要求材料在低温下有很好的强度外，还要保证它能够平稳稳定地运转。
这就和汽车动平衡比较类似，如果汽车车轮动平衡不好，会带来几个问题：第一，方向盘抖动；第二，车轮抖动；第三，轮胎异响，可能还会翻车。
因为火箭发动机氢泵叶轮是输送动力的，如果它运转不平稳，火箭会因瞬间丧失动力而坠毁，这个恶果非常可怕。
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长征五号运载火箭研制初期，氢泵叶轮采取传统的精密铸造的方式来制备，但精密铸造有它本身难以克服的“缩孔、疏松”的铸造缺陷。另外，它的铸造强度比较低，材料如此高强度地运转，经常会出现掉块的现象。
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如同照片中的红色部位，叶轮做完实验后，叶片掉一块，边缘也掉一块。有时掉块恰好会堵住燃料管道，有一次堵住管道后把发动机试车台都烧红了，险些造成爆炸，酿成重大的安全事故。
此外，我们采用工业CT对叶轮的叶片进行了探伤，我们发现，它有一些“缩孔、疏松”的铸造缺陷。
这种缺陷在高速旋转的过程中，会给用户带来很大的安全隐患。
粉末冶金成形
用户一直为氢泵叶轮头疼，因为铸造叶轮出现这么多问题，就想着能不能采取一种新的成形工艺方法解决这个问题。
这个答案是肯定的。
因为早在上世纪八九十年代，美国和俄罗斯这种航天强国，他们也发现铸造叶轮存在安全隐患，纷纷采用粉末冶金成形的方式制造了氢泵叶轮，并获得了很好的效果。
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什么是粉末冶金成形？简单地说，粉末冶金是精密铸造的升级版。
精密铸造采用的原材料是熔融的金属液体，它的成形方式是这样的：把金属液体熔化后，浇铸到预先制备的模壳中，模壳一般都是陶瓷材料所做的，金属液体在模壳中逐渐凝固，形成铸造合金，最后把模壳敲掉，得到精密铸件。
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