任忠鸣的国产涡轮单晶叶片梦
2014-03-19 16:19 作者:北燕
耐热1100℃，挑战1500℃，研发涡轮单晶叶片造价仅为进口的1/4——这是市委副主委、闸北区委主委任忠鸣的研究课题和学术梦想，这些年，为了实现这个梦想，他努力着、奋斗着。
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”。2012年9月，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。
任忠鸣教授介绍说，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。
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。
