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中國重型燃?xì)廨啓C(jī)的葉片之殤：核心技術(shù)受制于人

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2018-05-09來源：科技日?qǐng)?bào)作者：瞿劍

　　亟待攻克的核心技術(shù)——

　　“命門火衰”，重型燃?xì)廨啓C(jī)的葉片之殤

　　重型燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡稱重燃)，名副其實(shí)的大國重器。作為迄今為止熱/功轉(zhuǎn)換效率最高的動(dòng)力機(jī)械，廣泛應(yīng)用于機(jī)械驅(qū)動(dòng)(如艦船、火車)和大型電站。我國現(xiàn)已具備輕型燃機(jī)(功率5萬千瓦以下)自主化能力;但重燃(功率5萬千瓦以上)仍基本依賴引進(jìn)。據(jù)悉，重燃發(fā)電機(jī)組目前占全國發(fā)電裝機(jī)總量的3%左右，雖不是一大塊，卻是不可或缺的一塊——啟停快捷、熱效率更高、污染更少的燃機(jī)機(jī)組，作為大電網(wǎng)調(diào)峰容量的最佳選擇，在國家能源安全中扮演著無可替代的全局性角色。沒有自主化能力，意味著我國能源安全的重要一環(huán)，仍然受制于人，存在被“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)。

　　極致技術(shù)：對(duì)質(zhì)量和性能近乎變態(tài)的追求

　　把熔化的液態(tài)金屬澆入模具，等它凝固;在顯微鏡下看其金相，會(huì)呈現(xiàn)形似“干裂農(nóng)田”狀的縫隙，專業(yè)術(shù)語稱之為“晶界”。

　　“晶界是金屬的薄弱環(huán)節(jié)。”國家科技重大專項(xiàng)“重型燃?xì)廨啓C(jī)”技術(shù)負(fù)責(zé)人表示。為提高金屬材料在高溫下的強(qiáng)度，就要想辦法消除晶界。

　　這是一個(gè)極其復(fù)雜、漫長的過程，包括精確的溫度控制，以及精密鑄造、定向/拉單晶等工藝。其核心部件的毛坯“都是來自國外”;核心設(shè)備單晶爐，也須從國外進(jìn)口。

　　該技術(shù)負(fù)責(zé)人解釋，作為一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)的葉片是最重要的核心部件之一。它要在1400℃—1600℃的高溫下長期穩(wěn)定地工作，目前沒有任何金屬可以做到。怎么辦?

　　極限工況催生出極致技術(shù)，一種對(duì)質(zhì)量和性能瘋狂到近乎變態(tài)的追求。除了消除晶界、提高所用材料本身的強(qiáng)度之外，“只有靠冷卻”：葉片是中空的，以便通冷卻空氣;表面有陶瓷涂層、冷卻氣膜，使它跟高溫燃?xì)飧綦x，等等。

　　更關(guān)鍵一點(diǎn)，在以上復(fù)雜流程的所有環(huán)節(jié)，任何一項(xiàng)技術(shù)參數(shù)都不能有絲毫偏差，“這是它跟常規(guī)制造流程最大的不同”。他強(qiáng)調(diào)，常規(guī)制造中還有一個(gè)安全系數(shù)，即一定的容錯(cuò)裕量;而“極限制造完全是另一概念”：葉片是空心的、又很薄，除了精鑄，目前沒有其他工藝手段可以做出來，未來3D打印能不能解決還不清楚;鑄造過程中，材料的夾渣、裂紋、疏松、氣孔以及變形等，都會(huì)影響葉片的強(qiáng)度和性能。因?yàn)?ldquo;它本身是不可能的，要靠好多極限手段硬讓它變得可能”，所有技術(shù)必須做到極致。所以，一就是一，二就是二，偏差根本不能容忍、不被允許。

　　體系差距：即使有錢也不知從哪下手

　　美國GE公司高層曾聲稱，要買重燃成套技術(shù)，除非買下整個(gè)GE。

　　“重型燃?xì)廨啓C(jī)”重大專項(xiàng)總設(shè)計(jì)師顧春偉教授和上述技術(shù)負(fù)責(zé)人都談到，國際上大的重燃廠家，主要就是美國GE、日本三菱、德國西門子、意大利安薩爾多4家，與國內(nèi)三大動(dòng)力合作的也是這4家。但他們都附帶苛刻條件：首先，設(shè)計(jì)技術(shù)不轉(zhuǎn)讓;其次，核心的熱端部件制造技術(shù)也不轉(zhuǎn)讓，僅以許可證方式許可本土制造非核心部件。

　　這兩條注定了，沒有自主設(shè)計(jì)能力，我們需要什么樣的重燃、能要到什么樣的重燃，只能聽從人家的意志。核心制造技術(shù)不轉(zhuǎn)讓，國內(nèi)上了那么多重燃發(fā)電機(jī)組，設(shè)備運(yùn)維、備件提供完全受制于人，長期安全穩(wěn)定運(yùn)行堪憂;本土制造的許可證又都有期限，到期之后能否付錢再延，還須看他人眼色。所謂“卡脖子”，莫此為甚。

　　跨國公司秘不示人、惜之如命的設(shè)計(jì)技術(shù)，是真正的核心技術(shù)。顧春偉表示，重燃三大部件(壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)馔钙?的設(shè)計(jì)都是難上加難，因?yàn)樗鼈冃枰?ldquo;大量基礎(chǔ)研究支撐”和“長期試驗(yàn)驗(yàn)證及經(jīng)驗(yàn)積累”，沒有長期積累，“即使有錢你也不知從哪兒下手”。

　　仍以葉片為例。即使分毫不差做足各種極致功課，葉片材料仍是有壽命期限的：重燃葉片，壽命在5萬小時(shí)、3萬小時(shí)不等，到期必須報(bào)廢。

　　怎么證明5萬小時(shí)安全運(yùn)行沒問題?極限工況下、5萬小時(shí)連續(xù)不斷的材料試驗(yàn)必不可少。試想，一年8000多小時(shí)，5萬小時(shí)要做將近6年，“這還只是做一輪配方、一輪工藝所需時(shí)間”，所以“一個(gè)人一輩子都做不了幾個(gè)母合金”。它意味著巨量的投資、巨量的耗時(shí)和巨量的數(shù)據(jù)采集，而且每一步都必須親歷親為，否則就“不知其所以然”。

　　“盡早建立起我國完整的設(shè)計(jì)體系、試驗(yàn)驗(yàn)證體系，才是重燃自主化的關(guān)鍵所在”，中國聯(lián)合重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)人如是說。

　　三位一體：工匠的經(jīng)驗(yàn)仍不可或缺

　　葉片精鑄過程中，“拉單晶”工藝很有畫面感。

　　上述技術(shù)負(fù)責(zé)人介紹，一般的鑄造，是把金屬液澆入模坑、自然冷卻，出來的產(chǎn)品是多晶體，就會(huì)有晶界。而透平葉片單晶/定向鑄造，“是在底下選一個(gè)晶體，讓它慢慢往上走;上面保持高溫，還是液體;然后這個(gè)界面一點(diǎn)點(diǎn)往上冷卻，所以凝固時(shí)間特別長”。

　　顧春偉稱之為“多物理場耦合”，即制造流程中，每一環(huán)節(jié)涉及各種細(xì)節(jié)的工藝控制，這種控制又受到各種物理?xiàng)l件的影響，比如濕度、溫度、速度等控制下的成型，“每一步都是工匠、工藝、設(shè)備的‘三位一體’”。

　　三位一體中，設(shè)備當(dāng)然必不可少，“先進(jìn)單晶爐須從德國進(jìn)口，國產(chǎn)的目前仍不完善。但光強(qiáng)調(diào)設(shè)備也不行”。單晶制造過程中，涉及多個(gè)環(huán)節(jié)、多位頂尖高手，每人各管一段;每人都身懷絕技，相互不可替代。包括所有的參數(shù)控制、補(bǔ)償?shù)龋瓤繑?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，更有“手上的功夫”，也就是經(jīng)驗(yàn)積累。因?yàn)?ldquo;多物理場耦合”中，沒有一把尺子可以包打天下。這是基于大數(shù)據(jù)的3D打印仍無法終結(jié)工匠的道理，也是我國高端制造流程中目前最緊缺的一環(huán)。（瞿劍）