中國燃氣輪機技術獲重要突破 打破國外壟斷

耐熱1100℃挑戰1500℃ 上海成功研發渦輪單晶葉片，造價僅為進口的1/4

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”。

昨天(9月12日)，以“長出來”的單晶葉片為核心技術的上海市科委重大專項“高温合金葉片製造技術”取得重大突破，30釐米長的F級重型燃氣輪機渦輪高温葉片研製成功，這標誌着制約我國燃氣輪機發展的瓶頸取得突破，國外高價壟斷的高温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，必須提高温度。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，燃氣輪機的最高温度需要達到1500℃，普通材料到了這個温度，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温的材料

最初，科學家從自然界尋找耐高温的金屬元素，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温，想再提高温度，“天然”的找不到，只好“人造”了。

此次驗收項目的負責人，上海大學任忠鳴教授告訴記者，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℃的高温。

30釐米長晶體來之不易

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温度冷熱差這個原理。

單晶葉片的生長非常不易，温度梯度、液體密度都可能讓晶體長歪，或者長出其他的晶體來，但控制温度和密度卻是任忠鳴團隊的拿手絕活。“晶體越長越難控制”，任忠鳴説。就像一列縱隊，後面的人看前面的後腦勺對齊，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釐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釐米的差距。

耐1100℃的鎳基合金單晶葉片，如何抵抗燃氣輪機內最高1500℃的高温，這又是一場大戰。記者發現，在均勻分佈的葉片之下，有各種氣孔，在高温下這些氣孔能通過導入空氣形成冷風，來有效降低葉片的表面温度。

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。

任忠鳴給記者算了筆賬：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，也就是説，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。

任忠鳴説，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。