增材制造在燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)及生產(chǎn)中的應(yīng)用

■ 吳宏超 袁浩 魏佳明 閆志勇 姚世傳 / 杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司

燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)過(guò)程中的一些關(guān)鍵零件的定型會(huì)經(jīng)過(guò)多次的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，使用傳統(tǒng)方法制造周期相對(duì)較長(zhǎng)。增材制造（3D打?。┘夹g(shù)以其靈活多樣的工藝方法和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)與生產(chǎn)中具有獨(dú)特的應(yīng)用前景。

增材制造技術(shù)最早起源于美國(guó)。20世紀(jì)80年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，增材制造技術(shù)有了根本性的發(fā)展。增材制造技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是可不借助機(jī)械加工或模具，直接用計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)的圖形數(shù)據(jù)制造出形狀復(fù)雜的零件，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高了生產(chǎn)效率且降低了生產(chǎn)成本。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)還有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：與傳統(tǒng)的“減材”加工相比，增材制造大大減少了材料浪費(fèi)；而且可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜外形或內(nèi)腔結(jié)構(gòu)；此外，在產(chǎn)品處于概念或圖樣設(shè)計(jì)階段，增材制造技術(shù)可以簡(jiǎn)化制造過(guò)程，快速有效地生產(chǎn)出單個(gè)樣品，便于設(shè)計(jì)測(cè)試及迭代優(yōu)化。增材制造技術(shù)的缺點(diǎn)主要是由于在打印成形過(guò)程中，材料的熔化、凝固和冷卻快速完成，導(dǎo)致產(chǎn)品中存在多種缺陷，例如，裂紋、氣孔、熔合不良、成分偏析、變形以及內(nèi)壁面的粗糙度欠佳等，而且原材料價(jià)格較高導(dǎo)致增材制造費(fèi)用不菲。

燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)的技術(shù)特點(diǎn)

燃?xì)廨啓C(jī)渦輪靜葉片流量試驗(yàn)件

在燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)過(guò)程中需要開(kāi)展諸多的試驗(yàn)測(cè)試，使用傳統(tǒng)的制造方式加工一些具有復(fù)雜空腔結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)件費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且此類單件或小批量的試驗(yàn)件加工成本較高，所以研發(fā)過(guò)程中不能做足夠多的試驗(yàn)件。

燃?xì)廨啓C(jī)熱端耐高溫的制成部件由高溫合金制成，其主要成分為鈷基或鎳基，同時(shí)含有稀土元素，屬于難加工材質(zhì)，傳統(tǒng)加工只能通過(guò)磨削、電火花或激光等特種加工方式，同時(shí)由于具有復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)，加工后還需要進(jìn)行焊接等工序。傳統(tǒng)加工方式應(yīng)用特種設(shè)備和特種工藝較多、加工效率低、技術(shù)難度大、加工成本高，且易造成高溫合金和稀土金屬的部分浪費(fèi)，此外，加工高溫合金的渣屑廢液必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的回收處理以免污染水質(zhì)或土壤。

增材制造技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用

氣冷空心渦輪葉片

氣冷空心渦輪葉片研發(fā)的一個(gè)重要參數(shù)是通過(guò)葉片的冷卻空氣流量要和預(yù)估的一致，以往要等到成品葉片加工成形后才能測(cè)試其流量，若與設(shè)計(jì)預(yù)估流量偏差較大，調(diào)整起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果用光固化樹(shù)脂增材制造出來(lái)的模型進(jìn)行相應(yīng)的流量試驗(yàn)，試驗(yàn)接口也一次性制成，可以大大縮短試驗(yàn)周期，在設(shè)計(jì)前期就可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的空心葉片是否能夠通過(guò)足夠的冷氣流量。

換熱試驗(yàn)件

燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)過(guò)程中針對(duì)渦輪葉片需要進(jìn)行多次試驗(yàn)和迭代。其中，外換熱試驗(yàn)將增材制造的金屬葉片試驗(yàn)件放在流道中以測(cè)試其外壁面的外換熱系數(shù)，替代傳統(tǒng)的機(jī)械加工的葉片試驗(yàn)件。內(nèi)換熱試驗(yàn)用于檢測(cè)復(fù)雜空心葉片內(nèi)流道的換熱情況，為了便于測(cè)量和觀察，需要試驗(yàn)件為透明材質(zhì)，采用透明樹(shù)脂增材制造，成形的試驗(yàn)件沿葉型中面分為兩半，一半是壓力面，一半是吸力面，內(nèi)表面涂覆示溫漆后將兩半合緊作為內(nèi)換熱的試驗(yàn)件，替代傳統(tǒng)機(jī)械加工的有機(jī)玻璃試驗(yàn)件。

增材制造的氣冷空心葉片

增材制造的燃?xì)廨啓C(jī)渦輪動(dòng)葉片

綜合冷效試驗(yàn)件

燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的另一個(gè)重要試驗(yàn)即綜合冷效試驗(yàn)，將成品葉片放在高溫燃?xì)庵?，?yàn)證渦輪葉片的綜合冷卻效果，判斷其金屬溫度是否滿足安全運(yùn)行及壽命要求。這類試驗(yàn)一般需要成品葉片已經(jīng)加工完成或者直接在整機(jī)上進(jìn)行，現(xiàn)在可以采用增材制造技術(shù)將鎳基或鈷基金屬粉末直接成形，包括葉片內(nèi)腔及外表面氣膜孔均一次成形，試驗(yàn)件可以在真實(shí)服役的高溫燃?xì)猸h(huán)境中保持高的可靠性，使得在研發(fā)進(jìn)程中這一試驗(yàn)至少可以提前兩年完成，大大提高了冷卻設(shè)計(jì)的成功率。

增材制造技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用

增材制造技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)的制造上已有了廣泛應(yīng)用，并且推出了面向燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室和渦輪部件的批量生產(chǎn)解決方案，主要用于非承力且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量較輕、相比傳統(tǒng)制造具有成本優(yōu)勢(shì)的零部件上。

在增材制造燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)向和工作葉片的研發(fā)和應(yīng)用方面，西門子公司已經(jīng)有所突破。使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子葉片已經(jīng)通過(guò)滿負(fù)荷核心機(jī)試驗(yàn)的考核。葉片安裝在西門子公司的SGT-400工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)上，輸出功率為13MW。試驗(yàn)中使用的葉片，由材料解決方案（Materials Solutions）公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)，這家公司位于英國(guó)的伍斯特地區(qū)，專門負(fù)責(zé)生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的高溫應(yīng)用零部件，已被西門子公司收購(gòu)。葉片的冷卻設(shè)計(jì)通過(guò)不斷測(cè)試得到改良，進(jìn)而提高了整個(gè)機(jī)組的熱力效率，為用戶提供了更有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。該增材制造葉片使用的是多晶鎳超合金粉末，可以經(jīng)受高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速工況下產(chǎn)生的巨大離心力。通過(guò)試驗(yàn)的考核，產(chǎn)品的表面粗糙度、精度和材料參數(shù)等對(duì)確保部件運(yùn)行起到關(guān)鍵作用的指標(biāo)得到驗(yàn)證。

西門子SGT-400型燃?xì)廨啓C(jī)

增材制造的燃燒室

增材制造的陶瓷型芯

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣可以作為替代燃料，主要是氫氣或合成氣體，以此回收部分生產(chǎn)成本。但是利用這些燃料并不容易，因?yàn)檫@些燃料的工質(zhì)特性要求在燃燒之前先進(jìn)行均勻的混合。采用增材制造技術(shù)獲得的燃燒室部件外壁，可以設(shè)置數(shù)量眾多的流道，新的燃燒室設(shè)計(jì)使天然氣摻混比例的量級(jí)提高到60%。傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)，氫氣混合的比例只能在10%以下。目前該燃燒室已經(jīng)安裝于SGT-700，順利運(yùn)行8000h以上。

按照傳統(tǒng)方法，燃燒室頭部包括13個(gè)零件，需要進(jìn)行18次焊接。而采用新方法之后，整體生產(chǎn)均為一體成形，極大簡(jiǎn)化了加工工藝。同時(shí)一體化的設(shè)計(jì)制造可提高產(chǎn)品的耐熱和強(qiáng)度性能，進(jìn)而提高燃?xì)廨啓C(jī)的使用壽命，降低維護(hù)成本。今后在西門子公司的燃?xì)廨啓C(jī)中，運(yùn)用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的燃燒室將代替以前焊接的燃燒室，以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如，交織纏繞的空心部件以及采用蜂窩狀填充的無(wú)縫雙層結(jié)構(gòu)。

在燃?xì)廨啓C(jī)損傷修復(fù)市場(chǎng)上，增材制造技術(shù)也有著廣泛的應(yīng)用需求，而且已經(jīng)開(kāi)始了市場(chǎng)化的發(fā)展。西門子公司的檢修技術(shù)人員通過(guò)部分再造的方式完成舊部件的快速修復(fù)，他們將已經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作的燃燒室從機(jī)組上拆下返廠，去掉頂部，以此為基礎(chǔ)對(duì)去掉的部分進(jìn)行增材制造，整個(gè)流程花費(fèi)時(shí)間一共不超過(guò)20h，方便快捷。

大型設(shè)備的停工，每一刻都會(huì)引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失，利用這樣快速制造的特點(diǎn)可以很好地縮短停工時(shí)間，并且新?lián)Q部件通常可以使效率提高1%或者更多，增加產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。此外，增材制造修復(fù)技術(shù)在渦輪轉(zhuǎn)子葉片上也有一定應(yīng)用。渦輪轉(zhuǎn)子葉頂部工作環(huán)境惡劣，由于長(zhǎng)期被高溫工質(zhì)沖蝕和材料自然發(fā)生的蠕變等影響，葉尖區(qū)域容易發(fā)生損傷情況，通過(guò)增材制造的方式對(duì)葉尖進(jìn)行重新制造，也可以使其持續(xù)保持較高的工作效率。

另外，針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片預(yù)研制造成本高、周期長(zhǎng)等問(wèn)題，在渦輪葉片蠟?zāi)Ｄ＞咧圃旆矫妫诠夤袒尚渭夹g(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在蠟?zāi)Ｄ＞邇?nèi)植入任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)冷卻流道的制造，通過(guò)凝膠注模技術(shù)與光固化成形技術(shù)的結(jié)合，制造葉片蠟?zāi)?shù)脂基模具，從而為預(yù)研渦輪葉片的快速制造提供了一種新方法。相對(duì)于采用金屬模具制造渦輪葉片，其周期由1個(gè)月縮短至10天，制造成本大大降低。針對(duì)空心葉片鑄造所采用的陶瓷型芯成形難、報(bào)廢率高等問(wèn)題，采用增材制造技術(shù)直接成形陶瓷型芯，減少了復(fù)雜的陶瓷型芯成形模具，大大縮短了制造工期和降低了成本。

結(jié)束語(yǔ)

綜上，增材制造技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)和制造中有著較多的應(yīng)用。隨著更多高溫合金粉末被開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)出來(lái)，以及熱等靜壓成本的降低，增材制造件固有的一些組織缺陷問(wèn)題得到充分的解決，增材制造件作為成品件（不限于試驗(yàn)件）在燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。