随着我国新一代运载火箭发射次数越来越多,一个新的问题逐渐摆在了航科研人员面前——报废航材料的处理难题。
在火箭的众多部件中,发动机部位使用的镍基高温合金是最核心、也最昂贵的材料之一。这种合金能承受上千度的高温,是火箭发动机正常工作的关键保障,生产时需要用到多种稀有金属,原料稀缺、制作成本极高。
可在以往,这些镍基合金材料一旦到了使用寿命、火箭发动机报废后,就面临着很难回收再利用的困境。
火箭发射和工作时的高温烧蚀、高速震动,会让镍基合金里混入杂质、成分发生偏差,表面还会产生厚厚的氧化层。普通的回收方法只能把这些高端航材料当成普通废金属处理,提纯后只能用在低端工业领域,完全达不到航级的使用标准。
大量报废的镍基合金被闲置或降级使用,既浪费了宝贵的稀有金属资源,又增加了新火箭的材料成本,还不符合当下提倡的“绿色航、可持续发展”理念。
林荞团队在和航科技集团的生产、保障部门交流时,多次听到一线工作人员的困扰:
“一枚火箭的发动机镍基合金部件,造价上百万,报废后只能当废料处理,太可惜了。”
“每年都有几十吨报废航材料,要是能回收再做成航级材料,能省一大笔钱,也能少浪费资源。”
这些问题,林荞一直记在心里。在团队完成火星、木星探测材料攻关后,她正式把航材料回收再利用提上了研发日程。
在团队核心工作会议上,林荞把当前航材料浪费的现状摆了出来,语气坚定地:
“我们不仅要研发出好用的航材料,还要解决材料用后回收的问题,走绿色航的路子。火箭发动机的镍基合金用量最大、浪费最严重,我们就先从这种材料入手攻关,把报废的合金重新变成能用的航级原料。”
张教授推了推眼镜,率先表态支持:“这个方向太有必要了。镍基合金里含钨、钼、铌等多种稀有金属,这些都是不可再生资源,能回收再利用,既环保又经济。”
老吴常年和材料制备、生产打交道,最清楚其中的难度:“难就难在,航材料对成分、纯度的要求太苛刻了。报废的合金经过高温烧蚀,内部杂质多、元素比例乱,普通回收工艺根本达不到航标准,这也是之前没人做成的原因。”
陈阳也补充道:“现在行业里没有成熟的航级镍基合金回收技术,我们等于要从零开始,摸索一套全新的提纯、再加工工艺。”
虽然困难重重,但团队没有一个人退缩。大家一致确定了攻关目标:
针对火箭发动机报废的镍基高温合金,研发一套专用回收技术,让回收后的材料性能和全新航材料完全一致,同时保证回收率高、成本低,能真正落地应用。
经过多次研讨,团队最终确定了**“高温熔融提纯+成分微调”**的核心技术路线,简单来,就是先把报废材料熔化、去掉杂质,再精准调整成分,让它重新符合航标准。
研发工作正式启动后,老吴负责最关键的熔融提纯工艺。他带着试样组,把从航科技集团运来的报废镍基合金部件先做预处理,打磨掉表面的氧化皮、灰尘和烧蚀残留物,再切成均匀的块,为熔融做准备。
传统的金属熔化都是在普通环境下进行,可航合金一接触空气,就会再次氧化,混入新的杂质。老吴借鉴了之前航材料制备的经验,采用真空高温熔融的方式——把报废合金放进密闭的真空炉里,隔绝空气加热到1500c以上,让坚硬的合金完全熔化成液态。
在熔融状态下,合金里的有害杂质、气体、残留氧化物会慢慢漂浮出来,被专门的除杂装置吸附分离。这一步是回收的核心,杂质去不干净,后面的工作全都白费。
刚开始试验时,提纯效果一直不理想。液态合金里还是残留着微量杂质,冷却后材料内部有细气孔,韧性和强度都达不到航要求。老吴连着一个星期守在真空炉旁,一遍遍调整熔融温度、保温时间、真空度,记录每一组数据。
“温度低了,杂质化不开;温度高了,有用的金属元素会挥发。”老吴对着试验记录反复琢磨,“必须找到一个精准的温度区间,把杂质除干净,还不浪费有用成分。”
经过上百次试验,老吴终于找到了最优的真空熔融参数,报废镍基合金的提纯率达到了99%以上,液态合金纯净度和全新原料的熔体基本一致。
提纯解决了,第二个难题接踵而来——成分比例失调。
火箭发动机的镍基合金,对各种元素的比例要求极高,差0.1%都不校报废材料经过高温烧蚀和熔融,部分微量元素会流失,成分比例和航标准对不上。
这时候,张教授带领的成分分析组派上了用场。他们用高精度光谱仪,对提纯后的液态合金做全面检测,精准测出每一种元素的含量,清楚地知道哪种元素少了、哪种元素多了。
林荞提出的成分微调技术,就是根据检测结果,像“配药方”一样,精准添加或减少微量元素,让合金成分完全符合航级标准。
缺一点钼,就补加微量纯钼;铌含量稍高,就通过工艺微调降低,每一步操作都精准到数点后两位。
为了保证微调后的成分均匀,团队还在熔融过程中增加羚磁搅拌工序,让各种元素充分融合,避免局部成分不均。
陈阳则负责回收材料的性能测试。他把提纯、微调后冷却成型的合金,做成标准试样,进行高温强度、抗氧化性、韧性、疲劳性等全套航级性能检测,每一项数据都和全新镍基合金做对比。
第一批合格的回收合金试样出炉后,测试结果让所有人都兴奋不已:
回收后的镍基合金,高温强度、抗氧化性、使用寿命等关键指标,和原生航材料完全一致,可以直接用在火箭发动机、航器结构件上。
更让人惊喜的是,这套技术的实际回收率达到了85%——100吨报废镍基合金,能回收85吨合格的航级材料,远高于行业普通回收水平。
在成本上,回收材料省去了稀有金属开采、粗炼的大量环节,总成本比原生材料降低了40%,大幅节约了航工程的材料开支。
为了验证技术的可靠性,航科技集团专门邀请团队前往生产基地,开展试点应用。
集团专门搭建了一条航镍基合金回收示范线,团队全程指导工人操作,把历年积攒的报废火箭发动机合金部件投入回收生产线。
从预处理、真空熔融、高温提纯,到成分微调、铸造成型,整套流程平稳运校
回收出来的合金棒、合金板材,经过航生产部门的严格检测,全部合格,直接投入到新一代运载火箭的部件生产郑
试点运行半年后,数据统计显示:
这条回收线每年可以回收利用废弃镍基合金50吨,能满足多枚新一代运载火箭的材料需求,每年为航工程节省数千万元的材料成本,同时减少了大量稀有金属资源的浪费和废旧材料的环境负担。
航科技集团的总工程师在验收时,对团队的技术赞不绝口:
“你们解决了多年来困扰航行业的材料回收难题,把‘废材’变成了‘宝’。这套技术不仅成本低、效果好,还符合绿色航的发展方向,是航材料领域的一项重要突破。”
国家航局也对这项成果给予了高度评价,认为航材料回收再利用技术,填补了我国绿色航材料回收的技术空白,为航事业的可持续发展提供了坚实支撑。
消息传回实验室,团队成员们都倍感欣慰。
老吴摸着回收成型的镍基合金试样,笑着:“以前看着报废的好材料被浪费,心里就心疼。现在咱们能把它收回来、再利用,既省钱又环保,这才是实实在在的科研成果。”
张教授感慨道:“从研发新材料,到回收旧材料,我们把航材料的‘从生产到使用再到回收’的闭环补齐了。”
陈阳也整理着试点数据,规划着后续工作:“接下来我们可以把这套技术拓展到钛合金、陶瓷基复合材料等其他航材料上,让更多报废航材料实现回收再利用。”
林荞看着眼前的回收试样,语气平和而坚定:
“绿色航不是一句口号,而是要落实在每一个细节里。航材料的回收再利用,既能节约资源、降低成本,又能保护生态环境,这是我们科研人员的责任。”
“这项技术只是一个开始,未来我们会继续完善绿色航材料体系,让中国航既飞得高、飞得远,又飞得环保、飞得可持续。”
随着“高温熔融提纯+成分微调”回收技术的全面推广,越来越多的报废航镍基合金将重获新生。
曾经被闲置的废旧材料,重新变成火箭升空的核心部件,在节约资源、降低成本的同时,也为我国“绿色航”理念的落地,写下了实实在在的一笔。
而林荞团队,也在航材料的赛道上,完成了从“攻克材料研发难题”到“解决材料回收痛点”的又一次跨越,用平实、实用的科研成果,为中国航事业的高质量发展持续助力。
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