2022年11月25日，東方電氣集團所屬企業東方汽輪機的燃機總裝車間內，國內首台自主研製F級50兆瓦重型燃氣輪機正式完工發運，即將進入工程應用階段，標誌著我國在重型燃氣輪機領域完成了從「0」到「1」的突破。
重型燃氣輪機是發電和驅動領域的核心設備，被譽為裝備製造業「皇冠上的明珠」。其廣泛應用於航空、艦船、管道增壓、發電等國防、交通、能源和環保領域，具備極高的戰略地位和巨大的市場前景，是一個國家科技水平和綜合國力的象徵，也是發達國家實施嚴格技術封鎖的關鍵設備。此前，F級重型燃氣輪機的關鍵技術都掌握在國外巨頭手中。
為服務國家重大戰略需求，2009年東方電氣在各級政府的大力支持下，率先在國內開展具有完全自主智慧財產權的F級50MW重型燃機的研製。
▲ 目前國內最大功率的燃氣輪機整機試驗台
十三年磨一劍，東方電氣完成了從「0」到「1」的科技突破，建立起完整的設計、製造、試驗體系，確保了首台F級50MW重型燃機按時交付發運，打通了自主燃機從攻關走向應用的「最後一公里」。
據悉，相較於同功率的火力發電機組，F級50兆瓦重型燃氣輪機一年可減少碳排放超過50萬噸，聯合循環一小時發電量超過七萬千瓦時，可以滿足7000個家庭1天的用電需求，將積極助推國內「雙碳」目標實現。
東方電氣突破的關鍵核心技術：
◆ 建立了完整可靠的F級燃氣輪機氣動設計、結構設計和可靠性評估體系。
◆ 攻克了F級燃氣輪機高溫部件燃燒器製造、透平葉片精密鑄造的難題。
◆ 建成了國內首批壓氣機、燃燒器、透平、轉子動平衡等部件級試驗平台和整機試驗平台。
◆ 構建了試驗驗證體系，完成F級50兆瓦燃氣輪機全部驗證試驗。
燃氣輪機屬於第3代動力機械，是多學科交叉的綜合性技術載體，設備內部極其複雜。以F級50兆瓦重型燃氣輪機整機為例，它由20000多個零件組成，其工作壓力18個大氣壓，工作溫度超過1300℃。
在這樣的高溫高壓條件下，燃氣渦輪要以6000轉/分鐘的轉速高速旋轉，線速度超過大型客機飛行速度的兩倍。而具有極高承溫能力的渦輪葉片是燃氣輪機的最核心部件，其綜合性能優化是提升燃氣輪機效率、延長其壽命的關鍵。
▲ 50MW重型燃機部件
因此，重型燃氣輪機渦輪葉片用材料及其製造關鍵工藝，就成為重型燃氣輪機的核心技術。當然，在渦輪葉片的製造過程中，許多關鍵環節都需要真空技術的參與。
▲ 典型渦輪葉片製造工藝路線
渦輪葉片製造
重型燃氣輪機是典型的高技術密集型設備，自1939年第1台重型燃氣輪機在瑞士誕生以來，其渦輪葉片也經歷了不同的階段。定向凝固技術極大地推動了重型燃氣輪機渦輪葉片的發展。
▲ 渦輪葉片發展歷程
20世紀40年代，精密鑄造技術的發展打破了形變高溫合金的制約，使得鑄造複雜內腔結構渦輪葉片成為可能。50年代，真空冶煉技術取得重要突破，極大地提高了合金純淨化程度，通過對微量元素的精確控制，實現了合金成分的優化和合金鑄造性能的改善。
60年代，美國Pratt&Whitney公司創造性地開發了高溫合金定向凝固技術，該技術促進了渦輪葉片材料由普通鑄造高溫合金轉變為柱狀晶高溫合金，繼而發展到單晶高溫合金，沿應力方向排列的晶粒可以大幅度提高蠕變壽命和熱疲勞性能，使葉片使用壽命和承溫能力達到了新的高度。
目前，工業上製備重燃葉片應用最多的定向凝固技術是高速凝固（High Rate Solidification，HRS）工藝以及液態金屬冷卻（Liquid Metal Cooling，LMCＬ）工藝。
▲ 高速凝固法及液態金屬冷卻法示意圖
HRS利用防輻射擋板將冷、熱區隔離開，以獲得單向的溫度梯度。將帶有螺旋選晶器的模殼置於激冷板上，將真空熔煉的合金熔液澆入預加熱的陶瓷型殼中，保溫一段時間後，沿軸向以一定速率緩慢地抽拉型殼進入冷卻區，形成定向熱流，獲得定向凝固組織。
封堵與去密封
燃氣輪機渦輪葉片通常具有複雜的內腔結構，同時具有數量眾多的表面氣膜孔。加工過程中的鐵屑、微小螺釘等多餘物一旦進入葉片的內腔和氣膜孔，將很難被發現並清除，這些多餘物將是燃氣輪機運行過程中的巨大隱患。因此，必須有一種工藝能夠很好地阻止多餘物進入渦輪葉片內腔和氣膜孔，同時又不對加工過程產生任何不利影響。
為提高工藝效率和產品質量，通常需要使用真空注蠟機與自動除蠟清洗裝備。封堵與去密封過程中注蠟機的注蠟壓力、融蠟溫度、清洗機的清洗時間、超聲功率、清洗溫度等關鍵參數都會對封堵與去密封效果產生重要影響。
▲ 真空注蠟機與自動除蠟清洗裝備
焊 接
燃氣輪機渦輪葉片包含許多複雜組件，這些組件與葉片主體之間需要通過焊接工藝來連接。但是大部分組件如導流片、蓋板等鈑金件通常採用高溫合金板材，一般的釺焊會導致組件發生反應或氧化。
真空釺焊作用原理與普通釺焊相似，所不同的是整個施焊過程是在真空氛圍下完成。在真空釺焊過程中，氣體基本上都從工件周圍的區域中去除。蜂窩真空釺焊是重型燃氣輪機渦輪葉片組件焊接工藝中的核心工藝，真空釺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釺焊爐。
當真空焊接爐真空度符合設計規範時，就可均勻提高焊接爐溫度，升至1050℃保持一定的時間；然後再均勻降低焊接爐溫度，達到設計要求溫度時方可打開真空焊接爐門；最後拿出焊接好的蜂窩密封組件。真空焊接爐對釺焊質量影響很大，特別是設備的爐溫均勻性和真空度，這樣才能滿足釺焊質量標準。
塗 層
● 鋁化物塗層
高溫防護塗層是保障燃氣輪機性能和渦輪葉片壽命的關鍵核心技術。目前，先進鋁化物塗層既可作為燃氣輪機渦輪葉片的高溫抗氧化塗層，同時也可作為熱障塗層的粘結層。
鋁及改性鋁化物塗層的製備方法主要有固體粉末包埋法、熱浸法、料漿法和化學氣相沉積（CVD）方法。其中CVD法是非接觸式塗層製備方法，塗層厚度均勻，可控性高，適用於形狀複雜的零件，是燃氣輪機渦輪葉片高溫防護塗層製備的首選。而CVD製備塗層則需要在真空環境下進行。
● 熱障塗層
熱障塗層技術是先進燃氣輪機製造的關鍵工藝技術之一，是目前保障渦輪葉片使用壽命切實可行的手段。熱障塗層由底層和面層構成，底層通常分為兩類，一類是前述擴散鋁化物塗層，另一類是包覆金屬塗層，後者的製備方法有很多，其中PVD和熱噴塗的應用最多。
▲ 熱障塗層及其微觀結構
熱障塗層的製備方法主要包括高速火焰噴塗（HVOF）、高頻脈衝爆炸噴塗（HFPD）、等離子體噴塗（APS）、電子束物理氣相沉積（EB-PVD），其中等離子體噴塗和電子束物理氣相沉積應用最為廣泛，近年來，在現有技術的基礎上又開發了等離子激活電子束物理氣相沉積、懸浮等離子噴塗、等離子噴塗-物理氣相沉積（PS-PVD）等新型製備工藝。同樣的，這些工藝多數都需要抽真空以滿足製備環境的要求。
▲ 熱障塗層常見製備工藝優劣勢對比
重型燃氣輪機渦輪葉片所需的抗熱衝擊循環壽命有大幅提高，需要很厚的熱障塗層加以防護，其熱障塗層的製備以HVOF製備底層，APS製備面層為主。
此外，隨著科技的不斷進步和發展，國內外也開始應用金屬3D列印技術製造燃機葉片，其列印設備的銷量正在持續增長，具有著高效、低消耗、低成本的優點。金屬3D列印技術也與真空技術密不可分。
▲ 金屬3D列印重型燃氣輪機透平空心葉片（400*350*250，鎳基合金）