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走进国家试验室:攻克机械制造业“皇冠上的明珠”——钢铁之躯接受最严酷考验

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发表于 2016-4-9 09:56:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
在东方电气集团东方汽轮机有限公司(以下简称“东汽”)长寿命高温材料实验室内,一根合金材料被机器从两端夹住,放置在700℃的环境中,不断地进行拉伸压缩试验直至材料断裂,以研究不同合金材料在高温下抗疲劳的性能。
这是东汽研发燃机叶片材料的一个重要环节。2013年底,东汽材料研究中心获批成立“长寿命高温材料四川省重点实验室”,研究方向设置为长寿命高温材料设计、重型燃机高温叶片精确成形技术、大尺寸高温部件服役性能及可靠性,以帮助东汽实现燃机国产化。

突破燃机国产化率极限
长寿命高温材料必须突破

“燃机被誉为机械制造业‘皇冠上的明珠’,是一个国家工业综合水平和科技实力的重要标志之一。”东汽副总工程师、材料研究中心主任杨功显告诉记者,燃机内部最接近燃烧室的几级叶片需承受1500℃的进气温度,并在每分钟3000转的恒定转速下稳定运行超过五万小时。“在1400℃以上的条件下,大部分金属都将开始融化,且燃气中含有腐蚀性气体,因此不仅一般的钢铁材料无法承受,就连航天、航空发动机的材料也难以胜任。”
据了解,东汽材料研究中心成立于建厂初期的60年代,其任务就是研究和开发满足汽轮机工作要求的各种材料,帮助实现汽轮机制造的国产化。2010年,东汽制造的35万千瓦燃机国产化率达到79%,创下国内燃机国产化率的最高纪录。
然而,记录竟是“极限”。杨功显告诉记者,剩下的21%,正是包括高温叶片在内的一系列燃机核心部件。核心部件在整套燃机中体积不大,但是利润却最高,其研发和制造技术被国外企业严密封锁。
杨功显告诉记者,燃气轮机大致以温度定型号级别,如E、F、G、H级,更高温度意味着更高的效率和更少的污染,目前国外同行已经完成1600℃左右的H级燃机研制,正在向1700℃进军,而国内在高温材料的研究上才刚刚起步,与国外先进水平差距不小。
要突破燃机国产化率的极限,长寿命高温材料必须有所突破。2009年,在东汽启动5万千瓦燃机自主研发的同时,东汽材料研究中心就开始筹备长寿命高温材料实验室,今年4月13日,该实验室成功进入第三批企业国家重点实验室评审环节。“这意味着国家对长寿命高温材料及其制造技术的重视程度越来越高。”杨功显说。

    24小时不间断实验
严酷考验锻造工业重器“心脏”

记者了解到,该实验室占地面积达到1.2万平方米,拥有各类实验设备近千台,其中最大的一台实验设备地上近4米高,地下还有3米深。
在这座庞大的实验室里,包括高温合金、陶瓷、耐热钢等高温材料将接受最严苛的检验,以确定是否满足燃机高温部件的需要。“比如疲劳断裂试验,我们会将不同的材料放入恒定高温下进行反复拉伸以测试不同材料的抗疲劳性,有的材料可能几百次拉伸就断了,有的材料则能坚持几万次。”杨功显说。
此外,由于在高温下的材料寿命将影响燃机高温部件的性能,因此实验材料经历长达几万小时的不间断高温测试成为“家常便饭”。
“研发长寿命耐高温材料就像是一场‘孤独的探险’,试验必须做足时间才能得到有效数据,这也要求我们必须耐得住寂寞,沉得住气。”杨功显表示,“一组高温试验就是连续3万小时,算下来是4年多时间,而在材料研究中心的历史上,最长的一组实验做了7万多小时。“由于实验不能中断,因此实验室总有工作人员24小时值守,即使春节也不例外。为了保障实验顺利进行,我们甚至准备了3组不同的电源,以防万一。”
近年,东汽先后掌握了五万千瓦燃机高温燃烧室制造技术,并启动了压气机试验,而随着耐高温长寿命实验室的逐步运行,五万千瓦燃机高温叶片的研制工作也有了初步成果。记者了解到,东汽五万千瓦燃机项目设计温度1300多度,高温叶片共有8组。“目前我们已经完成其中两组叶片的工艺定型,剩下六组也正在研发中。”杨功显告诉记者。
除了五万千瓦燃机叶片及其它热端部件的研制外,实验室同样还承担着更为基础的科研项目,甚至还有院士专家在实验室长期驻扎。“比如我们正在进行1500℃单晶叶片材料及成型技术的研究,为我们开发制造更先进的燃机高温材料积累经验。”杨功显表示,通过产学研结合,实验室拟建设成为国内唯一的为长寿命高温材料设计、制备和保护提供共性技术支撑的开放性研究平台。
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