重型燃氣輪機的葉片之殤：核心技術中國受制於人

亟待攻克的核心技術

是什麼卡了我們的脖子——

「命門火衰」，重型燃氣輪機的葉片之殤

重型燃氣輪機(以下簡稱重燃)，名副其實的大國重器。作為迄今為止熱／功轉換效率最高的動力機械，廣泛應用於機械驅動(如艦船、火車)和大型電站。我國現已具備輕型燃機(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。據悉，重燃發電機組目前佔全國發電裝機總量的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、污染更少的燃機機組，作為大電網調峰容量的最佳選擇，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，仍然受制於人，存在被「卡脖子」的風險。

極致技術：對質量和性能近乎變態的追求

把熔化的液態金屬澆入模具，等它凝固；在顯微鏡下看其金相，會呈現形似「乾裂農田」狀的縫隙，專業術語稱之為「晶界」。

「晶界是金屬的薄弱環節。」國家科技重大專項「重型燃氣輪機」技術負責人表示。為提高金屬材料在高溫下的強度，就要想辦法消除晶界。

這是一個極其複雜、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」；核心設備單晶爐，也須從國外進口。

該技術負責人解釋，作為一種旋轉葉輪式熱力發動機，燃氣輪機的葉片是最重要的核心部件之一。它要在1400℃—1600℃的高溫下長期穩定地工作，目前沒有任何金屬可以做到。怎麼辦？

極限工況催生出極致技術，一種對質量和性能瘋狂到近乎變態的追求。除了消除晶界、提高所用材料本身的強度之外，「只有靠冷卻」：葉片是中空的，以便通冷卻空氣；表面有陶瓷塗層、冷卻氣膜，使它跟高溫燃氣隔離，等等。

更關鍵一點，在以上複雜流程的所有環節，任何一項技術參數都不能有絲毫偏差，「這是它跟常規製造流程最大的不同」。他強調，常規製造中還有一個安全係數，即一定的容錯裕量；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列印能不能解決還不清楚；鑄造過程中，材料的夾渣、裂紋、疏鬆、氣孔以及變形等，都會影響葉片的強度和性能。因為「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，除非買下整個GE。

「重型燃氣輪機」重大專項總設計師顧春偉教授和上述技術負責人都談到，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、義大利安薩爾多4家，與國內三大動力合作的也是這4家。但他們都附帶苛刻條件：首先，設計技術不轉讓；其次，核心的熱端部件製造技術也不轉讓，僅以許可證方式許可本土製造非核心部件。

這兩條註定了，沒有自主設計能力，我們需要什麼樣的重燃、能要到什麼樣的重燃，只能聽從人家的意志。核心製造技術不轉讓，國內上了那麼多重燃發電機組，設備運維、備件提供完全受制於人，長期安全穩定運行堪憂；本土製造的許可證又都有期限，到期之後能否付錢再延，還須看他人眼色。所謂「卡脖子」，莫此為甚。

跨國公司秘不示人、惜之如命的設計技術，是真正的核心技術。顧春偉表示，重燃三大部件(壓氣機、燃燒室、燃氣透平)的設計都是難上加難，因為它們需要「大量基礎研究支撐」和「長期試驗驗證及經驗積累」，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、3萬小時不等，到期必須報廢。

怎麼證明5萬小時安全運行沒問題？極限工況下、5萬小時連續不斷的材料試驗必不可少。試想，一年8000多小時，5萬小時要做將近6年，「這還只是做一輪配方、一輪工藝所需時間」，所以「一個人一輩子都做不了幾個母合金」。它意味著巨量的投資、巨量的耗時和巨量的數據採集，而且每一步都必須親歷親為，否則就「不知其所以然」。

「儘早建立起我國完整的設計體系、試驗驗證體系，才是重燃自主化的關鍵所在」，中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司負責人如是說。

三位一體：工匠的經驗仍不可或缺

葉片精鑄過程中，「拉單晶」工藝很有畫面感。

上述技術負責人介紹，一般的鑄造，是把金屬液澆入模坑、自然冷卻，出來的產品是多晶體，就會有晶界。而透平葉片單晶/定向鑄造，「是在底下選一個晶體，讓它慢慢往上走；上面保持高溫，還是液體；然後這個界面一點點往上冷卻，所以凝固時間特別長」。

顧春偉稱之為「多物理場耦合」，即製造流程中，每一環節涉及各種細節的工藝控制，這種控制又受到各種物理條件的影響，比如濕度、溫度、速度等控制下的成型，「每一步都是工匠、工藝、設備的『三位一體』」。

三位一體中，設備當然必不可少，「先進單晶爐須從德國進口，國產的目前仍不完善。但光強調設備也不行」。單晶製造過程中，涉及多個環節、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。包括所有的參數控制、補償等，既靠數據標準，更有「手上的功夫」，也就是經驗積累。因為「多物理場耦合」中，沒有一把尺子可以包打天下。這是基於大數據的3D列印仍無法終結工匠的道理，也是我國高端製造流程中目前最緊缺的一環。

(本報記者 瞿 劍)

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