【康沃真空網(wǎng)】6月4日，中國航發(fā)“太行110”重型燃氣輪機（代號AGT-110）在深圳通過專家組產(chǎn)品驗證鑒定，標志著我國首臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的110兆瓦級重型燃氣輪機通過整機驗證，填補了國內(nèi)該功率等級產(chǎn)品空白，是我國在重型燃氣輪機的自主創(chuàng)新方面邁出的重要一步。
▲ 產(chǎn)品驗證鑒定會現(xiàn)場
中國航發(fā)“太行110”重型燃氣輪機設計功率110兆瓦，具有啟動迅速、綜合熱效率高、維護簡便等優(yōu)點，可使用燃油、天然氣及中低熱值氣等多種燃料發(fā)電。
中國航發(fā)燃氣輪機有限公司副總經(jīng)理楊軍表示，與同功率火力發(fā)電機組相比，110兆瓦級重型燃氣輪機一年可減少碳排放超過100萬噸，聯(lián)合循環(huán)一小時發(fā)電量超過15萬千瓦時，可以滿足15000個家庭一天的用電需求。
▲ 圖片來源：新華社
2019年，“太行110”重型燃氣輪機被列為國家能源局首批燃氣輪機創(chuàng)新發(fā)展示范項目，2020年改進型重型燃氣輪機總裝下線，2022年在中海油深圳電廠啟動示范運行。目前，“太行110”重型燃氣輪機已累計運行突破14000當量小時，其中單臺運行時數(shù)超過7000當量小時。
▲ 中國海油深圳電廠AGT-110國產(chǎn)重型燃機試驗基地 “太行110”重型燃氣輪機正在穩(wěn)定運行中
隨著我國燃氣發(fā)電裝機容量迅猛發(fā)展，自主研制重型燃氣輪機、打破國外技術和市場壟斷，對于實現(xiàn)“雙碳”目標、保障國家能源安全、助力高質(zhì)量發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。
重型燃氣輪機是能源高效轉(zhuǎn)換、潔凈利用、多領域應用的核心裝備，也是工業(yè)強國的重要標志，因為極高的設計、制造、試驗難度，世界上僅有少數(shù)國家具備獨立自主研制能力。其中渦輪葉片作為燃氣輪機的核心熱端部件，其研發(fā)和制造是一個國家工業(yè)的發(fā)展規(guī)模和技術水平的重要體現(xiàn)。
我國的燃氣輪機產(chǎn)業(yè)起步較晚，長期以來我國的燃氣輪機制造技術一直落后，成為卡脖子技術，目前尚處于追趕世界燃機先進水平的階段。近年來，我國的葉片制造技術發(fā)展迅速，在控制高溫合金雜質(zhì)含量、定向凝固技術、陶瓷型芯與型殼制備技術、熱處理技術等方面取得了顯著的成果，逐步擺脫了對國外技術的依賴，形成自主、獨創(chuàng)的研究體系。
渦輪葉片發(fā)展至今是葉片設計、合金、鑄造工藝、加工以及表面涂層工藝共同發(fā)展所做出的共同貢獻?，F(xiàn)階段，先進的渦輪葉片設計幾乎都采用了單晶、空心、復合氣膜冷卻以及陶瓷層熱障涂層結(jié)構(gòu)。要實現(xiàn)渦輪葉片的制造生產(chǎn)須基于渦輪葉片的設計方案，經(jīng)歷毛坯鑄件制備，機械加工和涂層三大主要步驟。
▲典型渦輪葉片制造工藝路線
在研在用的高溫合金有等軸鑄造高溫合金（國內(nèi)牌號通常以K開頭）、定向鑄造高溫合金（國內(nèi)牌號通常以DZ開頭）和單晶合金（國內(nèi)牌號通常以DD開頭）。采用不同材料的渦輪葉片的鑄造工藝不盡相同，其中最復雜也是成本最高的是單晶合金的鑄造工藝。
鑄造單晶高溫合金首先需經(jīng)過多次真空熔煉以嚴格控制合金中的雜質(zhì)元素，熔煉結(jié)束經(jīng)過定向凝固技術采用選晶法或籽晶法進行熔模鑄造，最終經(jīng)過固溶與時效熱處理達到最終鑄件狀態(tài)。
● 高溫合金純凈化真空熔煉
高溫合金中的雜質(zhì)元素（氧、氮和硫）對其性能危害很大, 要盡量降低其含量。這就對冶煉技術提出了很高的要求。目前，鑄造高溫合金主要采用真空感應精煉技術。
真空感應熔煉的特點是從熔化金屬到澆鑄都在真空條件下進行，既避免了大氣污染，又能夠精確地控制合金成分，特別是Al、Ti、Zr、B和易揮發(fā)微量元素的含量，不僅可以去除低熔點雜質(zhì)及氣體元素，還可以避免二次氧化。
對金屬進行感應熔煉時，伴有電磁攪拌功能，這可以加速熔液中反應速率，更有利于脫氣以及熔池溫度、成分的均勻化。現(xiàn)今, 高溫合金脫氧精煉研究主要集中在真空參數(shù)、坩堝材料和熔煉工藝的優(yōu)化。對于氮的去除，在真空下利用惰性氣泡或者Mg、Ca蒸氣泡上浮攜帶有一定效果。研究發(fā)現(xiàn)，在真空感應中施加Mg(Ca)不僅可以降低合金中的氧、氮, 同時也能降低合金中的硫。另外, 采用高純度的原材料，從源頭減少雜質(zhì)元素的混入，再輔以惰性坩堝材料和優(yōu)化冶煉工藝，可更有效地控制雜質(zhì)，獲得高質(zhì)量鑄造母合金。
● 定向凝固技術
定向凝固技術是指在凝固過程中通過強制手段建立起某一個特定方向的溫度梯度，從而使凝固沿著某個特定方向進行的一種技術。在金屬的凝固過程中, 已凝固的部分與未凝固的熔體之間由于具有特定方向的溫度梯度，從而導致金屬沿著與熱傳導相反的方向凝固。采用定向凝固技術可以獲得特定取向的柱狀晶或單晶，制備出柱晶或單晶葉片，使其性能顯著提高。
目前，被廣泛應用的是高速凝固法和液態(tài)金屬冷卻法。
● 真空釬焊
燃氣輪機渦輪葉片包含許多復雜組件，比如導流片、蓋板、蜂窩等，這些組件與葉片主體之間需要通過焊接工藝來連接。但燃氣輪機渦輪葉片鈑金件通常采用高溫合金板材，是典型的難變形材料，通過沖壓方式成形，并結(jié)合金屬鍍層、打孔、焊接等工序，在產(chǎn)品實際制造過程中，常出現(xiàn)鈑金件回彈、葉片與鈑金件的孔位置度差異和焊接變形等情況。同時，在進行鈑金件與渦輪葉片焊接時常常因熱輸入不均勻?qū)е潞附幼冃巍?/p>
真空釬焊作用原理與普通釬焊相似，所不同的是整個施焊過程是在真空氛圍下完成。在真空釬焊過程中，氣體基本上都從工件周圍的區(qū)域中去除。蜂窩真空釬焊是重型燃氣輪機渦輪葉片組件焊接工藝中的核心工藝，真空釬焊能夠有效的將蜂窩與殼體連接起來。該工序中常用到的設備為真空釬焊爐。
另外，燃氣輪機渦輪葉片涂層的制備也需要真空環(huán)境。燃氣輪機渦輪葉片涂層主要包含抗氧化涂層與熱障涂層。其中抗氧化涂層包括MCrAlY涂層、鋁化物涂層與改性鋁化物涂層，制備MCrAlY涂層的工藝方法主要有PVD、HVOF、APS與VPS等，實現(xiàn)鋁化物涂層的制備方法主要有固體粉末包埋法、熱浸法、料漿法和CVD方法等，熱障涂層的陶瓷面層可采用APS、VPS和EB-PVD等方法制備。
