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從輪機(jī)葉片到高壓開關(guān)，新的材料組合有望提高各類設(shè)備的性能，并降低其成本。在這一點(diǎn)上，把常規(guī)材料組合起來的新工藝是成功的關(guān)鍵。西門子中央研究院有好幾支團(tuán)隊(duì)都在開展這一領(lǐng)域的前沿研究。

材料從根本上決定了產(chǎn)品的最終成本、環(huán)境影響和競(jìng)爭(zhēng)力。以燃?xì)廨啓C(jī)為例。要提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率，就必須提高其燃燒溫度，而這要求耐熱性更好的新型材料。西門子的所有業(yè)務(wù)領(lǐng)域幾乎都能找到類似的例子。

但新的產(chǎn)品屬性并不總是要求使用新材料。許多時(shí)候，只要采用新的組合方式將之結(jié)合起來，舊材料也足以滿足需求。西門子中央研究院有好幾支團(tuán)隊(duì)都在開展有關(guān)研究，探索實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的各種途徑。他們的想法是：當(dāng)前僅使用了單一類型的金屬或陶瓷的產(chǎn)品，未來將使用針對(duì)特定應(yīng)用量身定制的各種材料組合。這一策略的優(yōu)勢(shì)顯而易見，包括在提升性能、減輕重量和降低對(duì)原材料的需求以及提高效率和改善成本等方面的巨大潛力。

西門子中央研究院的激光焊接與制造技術(shù)專員Friedrich Lupp以“窄間隙焊接”為例，解釋了這種技術(shù)進(jìn)步的光明前景。他指出，在人工焊接中，必須首先將金屬部件的邊緣充分切成斜邊，以在其結(jié)合處形成V形痕。這個(gè)過程要切除一些材料，產(chǎn)生廢棄物。隨后，在V形痕中灌入融化的金融，形成焊縫。由于金屬部件的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過250毫米，因此所產(chǎn)生的裂隙肯定相當(dāng)大。這樣一來，就必須使用大量焊絲，耗用大量電力來填補(bǔ)這些裂隙。西門子中央研究院作為主力參與開發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)，解決了這個(gè)問題。采用這項(xiàng)技術(shù)，焊接產(chǎn)生的間隙僅為12毫米。一個(gè)焊接頭將沿著裂隙自動(dòng)灌入熔化的金屬，而不要求任何人工操作。

其實(shí)這種方法早已有之。早在30年前，人們就已開始研制這種焊接頭。但借助如今功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，甚至可以自動(dòng)檢測(cè)并填補(bǔ)不同寬度的間隙。焊接頭自身便是檢測(cè)系統(tǒng)的組成部分之一。負(fù)責(zé)熔化焊絲和母材的焊弧也起到了檢測(cè)器的作用。其電壓和電流是與墻壁和地面之間的距離的函數(shù)。還有一項(xiàng)新技術(shù)是，研究人員通過利用不受溫度影響的X射線檢測(cè)器，來檢測(cè)剛剛完成焊接仍處于高溫狀態(tài)下的部件的缺陷，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量控制。

西門子的研究人員正在對(duì)一系列旨在將不同金屬連接起來的新型焊接技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括被稱為“放電等離子燒結(jié)”（上圖）的壓焊技術(shù)。

在窄間隙焊接（上圖和下圖）中，自動(dòng)引導(dǎo)的焊嘴將在兩個(gè)工件之間狹窄的V形痕中灌入熔化的金屬。這項(xiàng)技術(shù)既節(jié)電，又省材料。

西門子的團(tuán)隊(duì)也在研究其他焊接方法。其中一項(xiàng)技術(shù)涉及利用高性能激光器來進(jìn)行焊接，所產(chǎn)生的接縫非常之小，以至于材料的冶金屬性幾乎保持不變，同時(shí)大大降低了耗電量。

更加新奇的是壓焊技術(shù)。在壓焊過程中，將兩個(gè)大塊的工件彼此用力搓擦，從而令兩個(gè)部件的表面粘合起來，而并不真的將之熔化。這樣，就可以將采用傳統(tǒng)技術(shù)難以連接的金屬焊接起來，如將鋁與銅或?qū)X與鋼焊接起來。所做的工作仍主要是基礎(chǔ)研究。但如果西門子中央研究院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)執(zhí)行的試驗(yàn)取得成功，那么，這種新的材料組合將有助于節(jié)約成本。到那時(shí)，將可以僅僅在產(chǎn)品的特別敏感的部位使用昂貴的金屬——如鉬和銦以及鉻、銅和銀。

譬如，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中的輪機(jī)轉(zhuǎn)子必須滿足與其他部件大相徑庭的溫度和材料要求。采用窄間隙焊接技術(shù)將各個(gè)部分連接起來，可以優(yōu)化原材料的使用，而不必全部使用高成本材料。Lupp說：“我的夢(mèng)想是，通過一個(gè)軟件包告知設(shè)計(jì)工程師哪個(gè)部位該使用哪種材料，采用哪種制造工藝，以優(yōu)化原材料使用效率，降低成本。”與此同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)將隨后的材料組合回收利用能力納入考慮。然而，這樣的項(xiàng)目只能與西門子PLM軟件公司合作開展。

重復(fù)使用取代回收利用。隨著時(shí)間的推移，輪機(jī)葉片的表面將產(chǎn)生細(xì)微的缺陷。因此，西門子中央研究院研制了一項(xiàng)維修技術(shù)，借助成像處理軟件來檢測(cè)并記錄缺陷的具體位置。然后，根據(jù)所得到的信息來引導(dǎo)配備了焊嘴的機(jī)械臂。焊嘴可將金屬粉末噴射到需要維修的缺陷點(diǎn)。當(dāng)金屬粉末落到缺陷點(diǎn)上的同時(shí)，激光器將令這些粉末熔化，從而使之牢牢地黏合到葉片表面。這項(xiàng)技術(shù)允許在客戶的經(jīng)營(yíng)場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)組件維修。在柏林的一座西門子輪機(jī)工廠，技術(shù)專員已經(jīng)成功地試驗(yàn)了這項(xiàng)技術(shù)。Lupp表示，“我們的目標(biāo)是以重復(fù)使用來取代回收利用，因?yàn)檫@能節(jié)省寶貴的原材料以及能源。”

Ursus Krüger博士是位于柏林的涂料研發(fā)集團(tuán)（Coatings Research Group）的負(fù)責(zé)人，他主要從事冷氣噴涂技術(shù)研究，他也更推崇回收利用，而不是重新制造。在冷氣噴涂過程中，一個(gè)超音速噴嘴以高達(dá)每秒1,000米的速度，將粉末顆粒物撞擊到組件表面。在碰撞的同時(shí)，顆粒物將釋放出如此之巨大的能量，乃至將之熔化。由于氣體和粉末的溫度很低，采用這種工藝進(jìn)行處理的組件不會(huì)升溫，因而不會(huì)變形、變硬或變軟。因此，這項(xiàng)技術(shù)是適于維修諸如破損或交付時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷的鑄鐵外殼或輕型建筑構(gòu)件等部件的理想之選。冷氣噴涂也可用于采用相同的材料來維修較大的缺陷，或者制作近似于成型輪廓的嶄新形狀。有時(shí)候，甚至可以現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行冷氣噴涂，而不必拆下部件。

與火焰噴涂或等離子噴涂不同的是，冷氣噴涂中使用的工藝氣體不會(huì)起化學(xué)反應(yīng)，因此，所噴涂材料的成分和結(jié)構(gòu)將在其應(yīng)用過程中保持不變。所以，冷氣噴涂適用于在金屬、陶瓷、玻璃和塑料等材料上噴涂厚度幾乎不受限制的優(yōu)質(zhì)金屬層。冷氣噴涂能夠?qū)崿F(xiàn)類似于噴砂清理的清潔效果和類似于噴丸硬化的加固作用，因此基本上無需進(jìn)行預(yù)處理。噴上的硬質(zhì)涂層甚至比原始材料更加堅(jiān)硬。項(xiàng)目經(jīng)理Oliver Stier博士指出，冷氣噴涂簡(jiǎn)化了一些生產(chǎn)工序。正因如此，Krüger博士打算進(jìn)一步鞏固西門子在這一領(lǐng)域的和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得了一系列冷氣噴涂和粉末沉積焊接以及冷氣噴涂納米顆粒懸濁液等技術(shù)的權(quán)。Stier博士甚至可以在試驗(yàn)之前，估算出該工藝用于新應(yīng)用的成本。這可確保只開發(fā)具有盈利能力的工藝。

上圖：激光束熔化噴涂的金屬粉末。下圖：Wolfgang Rossner博士檢查放電等離子燒結(jié)形成的固體金屬陶瓷結(jié)合處。

冷氣噴涂以高達(dá)每秒1,000米的速度將粉末噴到組件上，同時(shí)讓組件保持低溫以避免變形。

新組合。在位于慕尼黑的西門子中央研究院，另一支團(tuán)隊(duì)正在Wolfgang Rossner博士的帶領(lǐng)下潛心研制用于將截然不同的物質(zhì)結(jié)合起來的非凡技術(shù)。其中一項(xiàng)技術(shù)就是超快燒結(jié)，該技術(shù)可以取代傳統(tǒng)連接技術(shù)如焊接。在超快燒結(jié)過程中，材料在*壓力和溫度下被擠壓到一起直到粘結(jié)起來。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)投入使用相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，但操作起來十分費(fèi)時(shí)。然而，如果不是由外部熱源對(duì)材料進(jìn)行加熱，而是利用電流從內(nèi)部加熱的話，這個(gè)過程只需要20分鐘時(shí)間。不久前，這種被稱為“放電等離子燒結(jié)”的方法已經(jīng)用于生產(chǎn)普通陶瓷和金屬材料。Rossner的團(tuán)隊(duì)尤為感興趣的是新型組合如金屬與陶瓷的復(fù)合物。

Rossner展示了一個(gè)硬幣大小的試樣。一邊由耐高溫鋼構(gòu)成，而另一邊則是金屬氧化物陶瓷。他說：“人們無法分開這兩種物質(zhì)。”邊界層只有幾微米厚，包含金屬與陶瓷之間的連續(xù)過渡。現(xiàn)在，這支團(tuán)隊(duì)正在努力改善陶瓷與金屬之間的粘著性，所有必須耐受*溫度的材料都將受惠于這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步。

研究人員的想法則更進(jìn)一步，他們想將金屬和陶瓷細(xì)粉混合物擠壓起來，以形成極其難熔的材料。Rossner表示，這在理論上是可行的。他的團(tuán)隊(duì)正在探索如何將之用于燃?xì)廨啓C(jī)和高壓開關(guān)。他說：“這種材料將可能實(shí)現(xiàn)全新的屬性組合，如兼具陶瓷的電絕緣性與金屬的塑性變形性能。”