难变形高温合金涡轮盘主要被用于航空母舰、核潜艇、航空航天等重大军民两用装备和设施的动力系统 , 而用于制造难变形高温合金涡轮盘的钢材 , 又是“特钢”中的特钢 , 其冶炼配方和技术都是一个国家核心竞争力的象征。从新中国成立以来 , 这种特钢冶炼技术和难变形高温合金涡轮盘 , 国际上一直对中国实行技术封锁和产品垄断 , 外国人甚至据此嘲笑中国人无法自行建造真正的航空母舰。斗转星移,2013年 , 这个“神话”被一个中国人打破了——他就是北京科技大学材料学院博士生导师董建新教授。
在 2013 年以前 , 我国直径 1m 以上的难变形涡轮盘都需要费尽周折从国外进口 , 而国际上常常以各种借口对我国进行技术封锁。而北京科技大学材料学院教授董建新率领科研团队 , 历时 5 年自主研发顶级特钢 , 成功设计制造世界上最大直径的难变形高温合金涡轮盘。
这种高温合金涡轮盘打破了国际垄断 , 可以广泛应用于烟气轮机、大飞机、核电站、航空航天、航空母舰、核潜艇等民用设施和军事装备。而最令董建新倍感自豪的是 , 这 25 年来他培养了 50 多位硕士、博士 , 为我国高温材料领域输送了大批高级人才。
自主研发顶级特钢设计制造涡轮盘
“我国从国外购买涡轮盘的时候 ,国外都要审查很长时间 , 因为他们害怕我国将进口的涡轮盘用于军事装备。”日前 , 北京科技大学材料学院教授董建新在接受千龙网记者采访时介绍说 , 在2013 年之前 , 我国没有大型的水压机 ,限于现有的科研水平和技术条件 , 直径在 1m 以下的涡轮盘可以在国内制造 ,而 1m 以上的难变形涡轮盘都需要从国外进口。
2008 年 , 董建新领受研发特殊高温耐腐蚀的合金钢材和设计制造大型涡轮盘的任务之后 , 就率领他的科研团队开始模拟设计。他从接受项目开始到研究出成果 , 花了整整 5 年的时间。这源于研发冶炼高温合金的难度大 , 再加上直径 1.45m 的涡轮盘硬度大很难变形。
据董建新介绍 , 高温合金是指以铁、钴、镍为基 ,能在 600℃以上高温环境下服役,并能承受苛刻的机械应力。因具有良好的抗氧化和抗热腐蚀、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性 , 高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件 , 还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。
高温合金按照适应温度环境 , 分为 760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料。按照中国金属协会高温材料分会对该类别高温合金的分类 , 可细分为铸造高温合金、变形高温合金、粉末高温合金、氧化物弥散强化合金、钛铝系金属间化合物高温材料等五大类系。
“我带领科研团队先到宝钢去炼钢 , 按照设计最高标准要求把高温合金炼出来。”董建新解释说 , 这种高温合金是特殊钢中的“特钢”, 是最高等级的钢材 , 因此对炼钢工艺的要求十分严苛 , 不允许有丝毫差错。
而将特钢中的“特钢”炼成之后 ,就需要巨型液压机冲压成涡轮盘。巨型模锻液压机 , 是象征重工业实力的国宝级战略装备 , 世界上能研制的国家屈指可数。目前 , 俄罗斯有 7.5 万吨的液压机、美国有 5 万吨的液压机。
董建新介绍说,2012年12月11日,由我国自主设计研制的世界最大模锻液压机 , 在四川德阳中国第二重型机械集团进入调试阶段 , 于 2013 年 4 月 10日投入试生产。这台 8 万吨级的“巨无霸”液压机 , 地上高 27m、地下深15m, 总高 42m, 设备总重 2.2 万吨 , 它的出现为董建新设计制造世界上最大的难变形高温合金涡轮盘提供了物质保障。
“我们到四川德阳中国第二重型机械集团利用这台世界上最大的液压机去压世界上最大的‘饼子’——直径为 1.45m 的难变形高温合金涡轮盘。”董建新告诉千龙网记者，8 万吨的大型液压机在冲压时 , 将加热后的钢坯就像做月饼一样 , 就是那么往下砸一下 , 敲敲打打几分钟就做成了 , 假如事先设计有丝毫差错 , 这个几百万的“特钢”就报废了。“2013 年 , 幸好这一砸后 , 我们仔细检查成型的涡轮盘毫厘不差 , 一次性取得成功。”
2013 年 , 董建新带领研发团队到四川德阳中国第二重型机械集团利用这台世界上最大的液压机去压世界上最大的‘饼子’——直径为 1.45m 的难变形高温合金涡轮盘。图为一次性压制成功的难变形高温合金涡轮盘。北京科技大学材料学院独家供图
世界最大难变形高温合金涡轮盘打破国际技术封锁前景辽阔
在 2013 年之前 , 我国 1m 以上的涡轮盘一直都是需要从国外进口。因为涡轮盘不仅需要用一种特殊钢材——高温耐腐蚀合金材料制造 , 还需要大型水压机才能压出钢“饼子”来。我国在高温耐腐蚀合金材料研究方面起步较晚 , 最大型的液压机也仅只有3 万吨。
据记者了解 , 全球从事高温合金材料的厂家不超过 50 家 , 主要分布在美、英、德、法、俄、日等国家 , 其中美国的通用电气和普惠两家实力最为强大。从航空发动机的市场占有率来看 , 通用、普惠、罗罗、MTU 这 4 家所占的份额高达 84%, 呈现出明显的寡头垄断格局。每个国家内部也只有 1 至 2 家厂商占据寡头垄断地位。
世界上高温合金行业具有强垄断性和稳定性 , 国外的行业龙头将长期享受行业壁垒带来的红利。国外其行业壁垒对华进行技术封锁 , 主要体现在技术壁垒、市场准入壁垒、质量标准壁垒、累验曲线等门槛 , 又使得新进入者将面临较高的进入成本和时间成本。
“2013 年 , 我设计制造的这个目前世界上最大的难变形高温合金涡轮盘会安装在中石油的烟气轮机上 , 这种烟气轮机是在炼油后利用废气来发电 ,因此需要这种高温合金的涡轮盘。”董建新开心地说 , 他率领团队自主研发设计制造的“巨无霸”涡轮盘 , 造价比较低廉。而国外垄断企业一个涡轮盘价格可能会翻倍 , 为国家节约了大量资金。
此外 , 在燃气轮机发电领域 , 我国未来 10 年将带动高温合金材料 50 亿的需求空间。燃气轮机是航空发动机的延伸 , 广泛应用于船舶动力、煤电、核电、气电等领域 , 因燃气轮机喷到叶轮上的气体温度高达 1300℃ , 需要抗高温腐蚀性能优良和长期组织稳定的抗热腐蚀高温合金来打造涡轮叶片和导向叶片。
而作为高性能发动机最关键部件之一的涡轮盘 , 其材料和制造技术始终受到国内外航空工程界的特别关注。董建新介绍说 ,2013 年 , 国务院批准设立“航空发动机与燃气轮机”国家科技重大专项简称“两机专项”,“两机专项”将于 2016 年下半年正式启动。而这种自主研发的大型高温合金涡轮盘将不仅可被广泛应用于大飞机、核电站等民用设施 , 还可以广泛应用于我国航空母舰、核潜艇、战斗机、航空航天等军用设备的动力系统。
培养大批高温合金高级人才最感自豪
“我是一个教师 , 在学校里最主要的任务就是教书育人。因此,对我来说,在校培养大批高温合金专业领域的硕士、博士 , 最令我感到自豪。”董建新给千龙网记者介绍说 , 他培养了 50 多位硕士、博士 , 毕业后分布在我国航空材料研究院、钢铁研究总院、航空航天等研究所。
1989 年 , 董建新在北京科技大学读博士,研究方向是高温合金。毕业后,董建新留在北京科技大学材料学院 , 一直承担材料学专业学生《材料分析方法》的主讲教学工作 , 主讲本科生《航空航天材料概述》《专业课程设计》课程 , 并负责材料学博士生《材料科学与工程选论》课程。他还曾经负责和承担有关国家自然科学基金重点和面上项目、“973”和“863”计划课题、国家重点攻关、军工项目及国际合作课题和重大厂协课题等。
“我招研究生 , 主要看学生是否有自觉性 , 让学生自己努力去做 , 我只是告诉他一些方法。”董建新说 , 他在培养硕士、博士生的时候 , 经常进行学习阶段性总结。比如 , 一周开组会 , 让研究生自己找选题做报告 , 这不仅能培养他们会讲的能力 , 还可以让不同研究方向的学生相互听一下 , 扩展知识面。而学生们则需要将最近一两年的有关领域的文献、文献解读、科研动态 , 都一一总结出来 , 并在组会上讲出来。这不仅能锻炼学生们的说、写、科研、动手等方面的能力 , 还能培养他们会想实验、会做实验、会写实验。
董建新教授经常和学生们打成一片 , 他每隔一段时间就组织学生们出去活动 , 在活动中师生们一起喝咖啡 ,一起进行学术上的讨论。比如 , 他们讨论 30 年后的高温合金的科研走向。“30 年以后不一定会是镍基合金涡轮盘 , 因为飞机、舰艇动力的核心部件材料 , 能耐温度越高、质量越轻 , 自然就越好。未来也许会出现一种新的材料可以替代镍基合金涡轮盘。”董建新说。
董建新还举例说 , 古代的椅子都是木头 , 现在都用高分子、玻璃来做椅子 , 这就是材料学的不断发展变化与应用的结果。年轻人的思想需要更多往前想 , 不能只局限现有的东西 , 这样有利于培养学生的创新能力。对于科研方向的选择 , 董建新教授也是让学生们一起来开会 , 大家来提科研方向 , 共同讨论科研主题。这充分发挥了学生们科研的积极性和自主性。
很多硕士、博士毕业工作了 , 董建新教授仍然会“扶上马送一程”。师生们利用社交软件 , 建立一个高温合金 QQ 群 , 大家经常在群里讨论各种问题 , 相互帮助查阅需要的相关资料。在申请一些项目的时候 ,学生们还会回过头来请昔日的导师帮他们看看 , 提供一些建议供参考。
2000 年 6 月 15 日 , 首届“高校青年教师奖”颁奖大会在人民大会堂举行。北京科技大学材料学院的董建新教授在教学和科研领域取得突出成就 , 荣获首届“高校青年教师奖”。“高校青年教师奖”是国务院批转教育部《面向 21 世纪教育振兴行动计划》中“高层次创造性人才工程”的重要项目之一 , 是与“长江学者奖励计划”特聘教授岗位制度相配合、与“跨世纪优秀人才培养计划”相衔接的人才培养和奖励计划。还作为 100 名优秀青年教师之一入选“高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划”。
