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任忠鳴的國產渦輪單晶葉片夢 zt

(2014-11-03 09:35:22) 下一個

任忠鳴的國產渦輪單晶葉片夢

2014-03-19 16:19   作者:北燕  

  耐熱1100℃,挑戰1500℃,研發渦輪單晶葉片造價僅為進口的1/4——這是市委副主委、閘北區委主委任忠鳴的研究課題和學術夢想,這些年,為了實現這個夢想,他努力著、奮鬥著。

  晶體的世界,可能會顛覆你對生物與非生物的認識,因為有些特殊用途的晶體是“長出來的”。2012年9月,以“長出來”的單晶葉片為核心技術的上海市科委重大專項“高溫合金葉片製造技術”取得重大突破,30厘米長的F級重型燃氣輪機渦輪高溫葉片研製成功,這標誌著製約我國燃氣輪機發展的瓶頸取得突破,國外高價壟斷的高溫葉片市場有望在今後幾年出現中國品牌。

  引導晶體生長形成單晶

  以目前的技術而言,要實現燃氣輪機效率最大化,必須提高溫度。現代燃氣輪機的熱效率已達到42%以上,是最高效、最清潔的動力設備,然而要實現這樣的熱效率,燃氣輪機的最高溫度需要達到1500℃,普通材料到了這個溫度,必然化為一團氣體,所以科學家們希望能找到一種特別耐高溫的材料。

  最初,科學家從自然界尋找耐高溫的金屬元素,鎳就是其中之一,以鎳為基礎加上少量銅、鐵、錫等元素形成的鎳基合金能承受幾百攝氏度的高溫,想再提高溫度,“天然”的找不到,隻好“人造”了。

  任忠鳴教授介紹說,如果完全按照“天性”,金屬材料的晶體與晶體界限處非常容易斷裂,就好像一棵樹的枝椏處總是更容易折斷一樣。如果能讓所有晶體都朝一個方向生長,就如同一捆整齊排列的筷子,這樣牢固度會大大增強。通過人為引導晶體生長的辦法,人們得到了晶體朝一個方向生長的定向晶體。要得到更“結實”的材料,科學家們想在微觀角度下,讓所有晶體單一化,這就是單晶。

  單晶葉片的生長涉及到複雜的生長工藝,在定向晶體的基礎上擺一個螺旋形的模具,利用類似生物優勝劣汰的法則,讓一堆晶體中長得最快的一個迅速達到螺旋的頂端,封閉其他晶體的生長通道,是形成單晶葉片的關鍵技術。以鎳基合金做成的單晶材料,能承受1100℃的高溫。

  30厘米長晶體來之不易

  當天氣寒冷時,水蒸氣凝結成了窗花,這是水遇冷凝結成晶體的一種形式,金屬結晶也是利用了溫度冷熱差這個原理。

  單晶葉片的生長非常不易,溫度梯度、液體密度都可能讓晶體長歪,或者長出其他的晶體來,但控製溫度和密度卻是任忠鳴團隊的拿手絕活。“晶體越長越難控製”,任忠鳴說。就像一列縱隊,後麵的人看前麵的後腦勺對齊,但是人越多,要保持隊伍的筆直就越難。

  所以,這次通過驗收的30厘米長的渦輪單晶葉片,是晶體生長工藝上一次突破,也是我國自主培養的最長一塊單晶葉片,但與國外最先進技術相比,還有5—10厘米的差距。

  耐1100℃的鎳基合金單晶葉片,如何抵抗燃氣輪機內最高1500℃的高溫,這又是一場大戰。

  未來有望突破國際高價壟斷

  由於國外對這項技術的嚴格封鎖,目前我國大部分電廠的燃氣輪機都是整機從國外購買,這些設備價格不菲,一台就需要花費十幾億元。

  任忠鳴算了筆賬:一片進口單晶葉片的造價約在40萬元左右,經過中間代理商賣給中國廠家,價格翻了2.8倍,即112萬元,一台燃氣輪機需要由數級渦輪葉片組成,其中1級渦輪葉片需由96片這種的單晶葉片組成,也就是說,僅1級渦輪葉片的購買價格,就在1億元左右,無怪乎整台設備開出如此天價。

  任忠鳴說,等生產工藝穩定之後,上海大學自主研發的單晶葉片造價大約為10萬元/片,僅為國外價格的1/4,這無疑將大大降低電廠、大型客機、特種船舶等使用燃氣輪機領域的成本,而國產單晶葉片投入市場,大約還有3—5年的路程要走。

 

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