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耐热1100℃挑战1500℃ 上海成功研发涡轮单晶叶片,造价仅为进口的1/4晶体的世界,可能会颠覆你对生物与非生物的认识,因为有些特殊用途的晶体是“长出来的”。
9月12日,以“长出来”的单晶叶片为核心技术的上海市科委重大专项“高温合金叶片制造技术”取得重大突破,30厘米长的F级重型燃气轮机涡轮高温叶片研制成功,这标志着制约我国燃气轮机发展的瓶颈取得突破,国外高价垄断的高温叶片市场有望在今后几年出现中国品牌。
引导晶体生长形成单晶
以目前的技术而言,要实现燃气轮机效率最大化,必须提高温度。现代燃气轮机的热效率已达到42%以上,是最高效、最清洁的动力设备,然而要实现这样的热效率,燃气轮机的最高温度需要达到1500℃,普通材料到了这个温度,必然化为一团气体,所以科学家们希望能找到一种特别耐高温的材料。
最初,科学家从自然界寻找耐高温的金属元素,镍就是其中之一,以镍为基础加上少量铜、铁、锡等元素形成的镍基合金能承受几百摄氏度的高温,想再提高温度,“天然”的找不到,只好“人造”了。
此次验收项目的负责人,上海大学任忠鸣教授告诉记者,如果完全按照“天性”,金属材料的晶体与晶体界限处非常容易断裂,就好像一棵树的枝桠处总是更容易折断一样。如果能让所有晶体都朝一个方向生长,就如同一捆整齐排列的筷子,这样牢固度会大大增强。通过人为引导晶体生长的办法,人们得到了晶体朝一个方向生长的定向晶体。要得到更“结实”的材料,科学家们想在微观角度下,让所有晶体单一化,这就是单晶。
单晶叶片的生长涉及到复杂的生长工艺,在定向晶体的基础上摆一个螺旋形的模具,利用类似生物优胜劣汰的法则,让一堆晶体中长得最快的一个迅速达到螺旋的顶端,封闭其他晶体的生长通道,是形成单晶叶片的关键技术。以镍基合金做成的单晶材料,能承受1100℃的高温。
30厘米长晶体来之不易
当天气寒冷时,水蒸气凝结成了窗花,这是水遇冷凝结成晶体的一种形式,金属结晶也是利用了温度冷热差这个原理。
单晶叶片的生长非常不易,温度梯度、液体密度都可能让晶体长歪,或者长出其他的晶体来,但控制温度和密度却是任忠鸣团队的拿手绝活。“晶体越长越难控制”,任忠鸣说。就像一列纵队,后面的人看前面的后脑勺对齐,但是人越多,要保持队伍的笔直就越难。
所以,这次通过验收的30厘米长的涡轮单晶叶片,是晶体生长工艺上一次突破,也是我国自主培养的最长一块单晶叶片,但与国外最先进技术相比,还有5―10厘米的差距。
耐1100℃的镍基合金单晶叶片,如何抵抗燃气轮机内最高1500℃的高温,这又是一场大战。记者发现,在均匀分布的叶片之下,有各种气孔,在高温下这些气孔能通过导入空气形成冷风,来有效降低叶片的表面温度。
未来有望突破国际高价垄断
由于国外对这项技术的严格封锁,目前我国大部分电厂的燃气轮机都是整机从国外购买,这些设备价格不菲,一台就需要花费十几亿元。
任忠鸣给记者算了笔账:一片进口单晶叶片的造价约在40万元左右,经过中间代理商卖给中国厂家,价格翻了2.8倍,即112万元,一台燃气轮机需要由数级涡轮叶片组成,其中1级涡轮叶片需由96片这种的单晶叶片组成,也就是说, 仅1级涡轮叶片的购买价格,就在1亿元左右,无怪乎整台设备开出如此天价。
任忠鸣说,等生产工艺稳定之后,上海大学自主研发的单晶叶片造价大约为10万元/片,仅为国外价格的1/4,这无疑将大大降低电厂、大型客机、特种船舶等使用燃气轮机领域的成本,而国产单晶叶片投入市场,大约还有3―5年的路程要走。
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