燃气轮机是现代制造业的“动力之源”，其中的涡轮高温叶片则是燃气轮机的核心部件之一。日前，上海市科委重大专项课题“高温合金叶片制造技术研究”在上海大学通过专家验收，这也标志着该领域的国产技术已接近国际最高水平。
叶片技术制约我国燃气轮机发展
燃气轮机被公认为世界上最难制造的机械装备，又称制造业“皇冠上的明珠”。它是大型客机、特种船舶和民用发电等领域的主要动力源之一，现代燃气轮机的热效率已达到42%以上，是最高效的动力设备之一。
据专家介绍，涡轮高温叶片是燃气轮机的核心部件，在高温、高速、高应力和高腐蚀的环境下工作，其结构复杂，制造难度大，对组织性能和加工质量要求极高，国外对此项技术严格保密，严重制约我国重型燃气轮机的发展。
为解决上述问题并推动上海市高端制造业的创新发展，2008年上海市科委设立重大研究专项课题，针对当前国际上最先进的F级256兆瓦重型燃气轮机涡轮高温叶片开展技术研究和攻关，由上海大学和其它几家单位共同承担。
形成独特的工艺路线
据介绍，涡轮叶片的制造原理是将镍基金属溶液浇铸在模具中，再进行冷却结晶，过程类似于冬天水汽在玻璃窗上遇冷结晶形成“冰花”。涡轮叶片能否耐受高温、是否有足够的强度，和结晶过程中的温度以及晶体形成的数量、甚至方向都有关系。一般来说，晶粒数越少，叶片的耐高温性越好，也越能胜任发电机燃气轮机等高功率设备用途。目前行业内最难的技术，是让整个叶片成为一个晶粒，即“单晶”技术。此外，如果让晶粒有序地向一个方向排列，也能提高叶片强度，避免断裂，此项技术为“定向”技术。
通过四年的努力，课题组在上述两种技术路径上均有突破，还形成了自己独特的工艺路线。例如，通过施加磁场控制，避免金属溶液在结晶过程中无序流动，使成品的材料密度更加均匀；通过设置叶片不同位置的温度梯度，控制晶体生长速度等。
据课题负责人、上海大学教授任忠鸣介绍，课题组在合金净化、精铸控制、工艺优化等领域取得突破性进展，成功研制出F级256兆瓦重型燃气轮机涡轮第二级高温合金定向凝固叶片。同时，在上海大学建立起的高温合金叶片研究中心，已形成燃气轮机等高温合金精密铸造热端部件的制造技术研究、工艺试验、产品检测和小批量生产的能力。目前，课题组已经为微型燃气轮机试生产了三台份（套）高温涡轮叶片，用于试机和试车。同时还为国内精铸企业试生产了燃气轮机高温涡轮动力叶片、导向叶片和矢量喷口导向叶等关键部件。
有望突破国际高价垄断
据了解，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，而维修设备更是源源不断地巨资投入。
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，也就难怪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。
验收专家组对此建议，上海市政府及有关方面对该项目继续给予大力支持，使上述成果进一步实现工艺稳定和工程优化，并加速其在重型燃气轮机开发和制造领域的应用。同时，建议进一步开展F级重型燃气轮机透平的第一级高温合金单晶空心叶片的研制工作，从而为提升我国的高端制造业服务。
仍需重点突破核心技术
据介绍，我国的燃气轮机制造业始于上世纪五十年代，六十至七十年代各汽轮机厂都曾研制生产过燃气轮机。当时主要是参照前苏联技术，进行仿制和自主设计，成功研制了部分燃气轮机。但随着国家能源结构调整，天然气供应不足，燃气轮机研制在逐步失去市场。上汽、哈汽的燃机项目无奈下马，高校的燃机专业关停，大量燃机人才转行。30年的断层让我国燃气轮机技术错过了国外高速发展的时期，迅速与国际水平拉大了差距。近10年来，随着国家能源战略的调整，燃气轮机才重新步入发展的快车道。
此前，记者从中国电机工程学会燃气轮机专业委员会了解到，要加快燃机发展速度，进行跨越式发展，就要引进、消化、创新联动，重点突破核心技术，包括：金属材料冶炼制造、叶片喷嘴加工技术、大型部件热处理、大型部件复合总成、计算机控制、检测仪表，也包括能源综合技术、热电联供技术、燃气蒸汽循环技术、振动测试分析等。
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