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。我今天给大家分享的主题是“氢泵叶轮攻关记”。
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。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。如此严苛的使用环境，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。
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。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。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。
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。
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，而粉末冶金采用的原料是松散的粉末颗粒，是将粉末填充到模具中，松散的粉末颗粒在高温高压下发生烧结，致密化形成一个致密的粉末合金。
粉末冶金既然在国际上有这么多应用，美国和俄罗斯都纷纷采用这个方式制备氢泵叶轮，那么它有什么好处呢？第一，省料。左上角是我们为航天用户做的一个盘件，我们的毛坯重量不到20公斤。而采用传统的铸造加锻造方式，第一个问题是费料。这个毛坯的重量是150公斤，交付给用户后，还要经过将近60天的精加工。
此外，粉末合金有一个无可比拟的天然优势，就是材质均匀、成分均匀。我们在国家的支持下，建成了国内第一台洁净雾化的钛合金制粉设备。2008年，我们承接了国家长征五号叶轮粉末冶金氢泵叶轮的研制项目，这台设备的作用，就是将致密的合金锻棒变成松散的合金粉末。
粉末合金的制备分为几个部分。第一，要制备包套。包套的作用是容纳变形，紧接着松散的粉末颗粒在高温高压下发生烧结，致密化形成一个致密的粉末合金。粉末冶金的环节非常多，而且影响因素也非常复杂，影响填充的一个最重要的因素就是粉末粒度。
热等静压是钛合金粉末成形的一个重要方式，它的目的是使松散的粉末致密化。经过十多年的探索，我们的软件预测的准确率是99.5%以上，给我一个新型的叶轮，新的型号，它一轮次就能打得很准。2010年9月提供的首套叶轮通过了用户的发动机热试考核，用户对我们评价是已满足技术指标要求，具备较高的可靠性。
2016年11月3日，我们提供的叶轮助力长征五号首飞，经过8年的努力，终于成功了。2017年，我们中国科学院金属研究所，这个团队，还被五部联合授予了“长征五号火箭运载火箭首飞任务突出贡献单位”。