基于熔融沉積技術(shù)的汽輪機(jī)葉片熔模鑄造生產(chǎn)

劉艷波

摘? 要：汽輪機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)型的蒸汽動(dòng)力裝置，高壓高溫的蒸汽穿透汽輪機(jī)固定噴嘴處后，會(huì)被轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣葮O快的氣流，直接噴射到葉片上，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，向外做功?；鹆Πl(fā)電廠中的汽輪機(jī)是核心設(shè)備，這種設(shè)備在船舶動(dòng)力裝置、化學(xué)工業(yè)以及冶金工業(yè)中也被有效使用。考慮到其葉片的重要功能，在生產(chǎn)時(shí)，必須重視生產(chǎn)質(zhì)量與效率，現(xiàn)探討熔融沉積技術(shù)在熔模過(guò)程中的重要意義。

關(guān)鍵詞：熔融沉積技術(shù);汽輪機(jī);葉片;熔模鑄造

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)需要有汽輪機(jī)設(shè)備的支持，在加工制造汽輪機(jī)的葉片時(shí)，必須要關(guān)注熔融沉積技術(shù)的使用情況，確保葉片的質(zhì)量，使用傳統(tǒng)的熔模鑄造技術(shù)需要消耗較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期，同時(shí)還要進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，整體成本比較高，而新型熔融沉積技術(shù)可以輔助葉片生產(chǎn)，簡(jiǎn)化加工過(guò)程的同時(shí)，還可確保汽輪機(jī)葉片的標(biāo)準(zhǔn)性與一致性，現(xiàn)分析技術(shù)應(yīng)用建議。

1 熔融沉積技術(shù)概述

燃?xì)廨啓C(jī)是現(xiàn)代制造業(yè)的“動(dòng)力之源”，其中的渦輪高溫葉片則是燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件之一。葉片在高溫、高速、高應(yīng)力和高腐蝕的環(huán)境下工作，對(duì)組織性能和加工質(zhì)量要求極高。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大，目前多采用熔模鑄造技術(shù)來(lái)制作。燃?xì)廨啓C(jī)葉片升級(jí)換代快。如何快速制造新型葉片樣件成了擺在鑄造工作者面前的重要任務(wù)。采用熔融沉積技術(shù)（FDM）打印ABS材質(zhì)作為零件模樣、粘接蠟質(zhì)澆冒系統(tǒng)模樣，制造型殼，獲得了合格葉片鑄件。

快速原型技術(shù)（ Rapid prototyping pechnology，RPT）是利用“離散/堆積”的原理，逐層堆積成型零件或產(chǎn)品的原型。與“減材制造”相對(duì)應(yīng)，快速成型技術(shù)又被稱為“增材制造”。它基于材料的堆積，集機(jī)械工程、三維掃描、分層制造技術(shù)、材料科學(xué)等于一身，將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩鵀榱慵椭谱?、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段。

熔融沉積技術(shù)（Fused deposition modeling，F(xiàn)DM）作為快速成型工藝的一種，其過(guò)程中無(wú)需專門(mén)的工裝夾具，從CAD數(shù)字模型到獲得相應(yīng)的原型或零件，僅需數(shù)小時(shí)或數(shù)十小時(shí)。FDM工藝多采用ABS絲材，成型溫度通常為80～120℃。與其他的RPT工藝相比，F(xiàn)DM工藝不依賴于激光技術(shù)，其成型設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，并且是目前RTP設(shè)備中價(jià)格最低，其使用的ABS絲材的成本低，易于儲(chǔ)存和更換，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

2 快速熔模鑄造生產(chǎn)活動(dòng)分析

2.1 生產(chǎn)ABS模樣

首先應(yīng)當(dāng)結(jié)合葉片設(shè)計(jì)圖紙，將其三維造型完整地設(shè)計(jì)出來(lái)。確定葉片的各種設(shè)計(jì)參數(shù)，使用UG軟件，對(duì)汽輪機(jī)的葉片展開(kāi)數(shù)字化模擬工作，設(shè)計(jì)三維模型時(shí)，必須要對(duì)原來(lái)的葉片進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以減去一些構(gòu)件，將葉身內(nèi)形取消，另外氣模孔、隔肋、擾流柱等細(xì)部結(jié)構(gòu)也可被省略。形成葉片的模型之后，將其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌腟TL格式。

使用3D打印機(jī)將ABS模樣完整地打印，確定打印出的模型能夠滿足建模尺寸設(shè)置要求。輸入格式為STL的文件，使用專用型的分層模塊達(dá)到分層優(yōu)化的目的，確定定點(diǎn)、面與邊的數(shù)量。在實(shí)際的工作中，需對(duì)原來(lái)的支撐材質(zhì)以及打印路徑展開(kāi)優(yōu)化。制定打印方案之后，選出最合適的打印方案，選定不同打印方案的基本指標(biāo)為打印效果與使用的支撐方式。

展開(kāi)打印活動(dòng)時(shí)，葉片模型材料的溫度經(jīng)測(cè)定為312℃，支撐材料的溫度數(shù)值為312℃，層厚度尺寸為0.254mm，壁厚度數(shù)值為0.914mm。打印時(shí)間大約為2.5h，之后即可獲取ABS模樣。

2.2 制作蠟?zāi)＝M

完成模樣生產(chǎn)工作之后，可繼續(xù)制造蠟?zāi)＝M。針對(duì)葉片的具體特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)鑄造工藝方案。澆筑系統(tǒng)型式極其明顯，主要由分配直澆道、橫澆道以及澆口杯共同構(gòu)成。為了避免拉模組出現(xiàn)變形的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)增加拉筋，輔助制作拉模的工作。運(yùn)用瞬態(tài)熱分析技術(shù)手段與相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可使熱場(chǎng)耦合技術(shù)手段也發(fā)揮效用，展開(kāi)有限元模擬活動(dòng)，對(duì)澆冒系統(tǒng)的應(yīng)用合理性進(jìn)行考察，控制應(yīng)力與鎖孔缺陷帶去的影響，形成科學(xué)的模組設(shè)計(jì)鑄造工藝技術(shù)手段。

結(jié)合工藝方案，蠟?zāi)仓ぷ鞑荒艹霈F(xiàn)差錯(cuò)，否則加工葉片的工作會(huì)被延誤。進(jìn)行澆筑工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用商業(yè)蠟，在110到150℃的條件對(duì)蠟料進(jìn)行保溫處理工作，同時(shí)還必須配合攪拌處理。在54到70℃的溫度條件下，確定保溫時(shí)間已經(jīng)達(dá)到了24小時(shí)之后，可啟動(dòng)壓制澆筑裝置，蠟?zāi)Ｊ覝胤秶鸀?8到25℃，濕度在30%到70%。粘結(jié)蠟質(zhì)澆筑系統(tǒng)與ABS模板。

2.3 制作型殼

在最后的加工環(huán)節(jié)中，需要完成型殼制作工作。結(jié)合試劑數(shù)據(jù)，對(duì)熔模鑄造過(guò)程中應(yīng)用的涂料配方展開(kāi)調(diào)整，使型殼保持比較高的膨脹率，完成脫蠟與脫ABS殼工作時(shí)，需確認(rèn)型殼是否出現(xiàn)了破裂與微變形的問(wèn)題，使型殼保持完整。

設(shè)置工藝參數(shù)時(shí)，必須要關(guān)注會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生重要影響的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)掛砂的過(guò)程進(jìn)行有效控制，調(diào)整加工環(huán)境的溫濕度，確保干燥工作間與制殼工作間的濕度與溫度均能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工作間的風(fēng)速展開(kāi)嚴(yán)格監(jiān)控，在干燥控制環(huán)節(jié)中，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)控制干燥溫度。

一共掛砂五層半，配方部分參數(shù)見(jiàn)表1。

脫蠟和脫ABS。首先在DN型蒸汽脫蠟釜中脫蠟，溫度152℃，時(shí)間6min。然后按照制訂的工藝路線在焙燒爐中脫ABS，獲得了完整的型殼。葉片產(chǎn)品。澆注前再次焙燒。采用手抬包澆注。澆注金屬后，冷卻180min脫殼。

完成前期熔融沉積處理工作后，需對(duì)產(chǎn)品的細(xì)節(jié)部位進(jìn)行加工與改進(jìn)，確保產(chǎn)品與設(shè)計(jì)圖保持一致。

首次采用FDM打印的ABS模樣粘接蠟質(zhì)的澆注系統(tǒng)的快速熔模鑄造技術(shù)，生產(chǎn)了汽輪機(jī)葉片，為企業(yè)創(chuàng)造了新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。3D打印技術(shù)在鑄造方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，鑄造企業(yè)必須抓緊時(shí)機(jī)，結(jié)合自己的現(xiàn)有條件，迎頭趕上。

3 結(jié)束語(yǔ)

燃?xì)廨啓C(jī)在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的使用率比較高，其葉片作為核心部件，必須被嚴(yán)謹(jǐn)對(duì)待，葉片的運(yùn)行環(huán)境存在高腐蝕性、高速以及高溫的特點(diǎn)，因此葉片在加工質(zhì)量與組織性能方面的要求必須被滿足?？紤]到葉片具有的復(fù)雜結(jié)合，技術(shù)人員對(duì)原來(lái)的熔模鑄造技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)合葉片部件升級(jí)換代速度快的特點(diǎn)，發(fā)揮了熔融沉積技術(shù)的作用。提升了汽輪機(jī)葉片的整體合格率。

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