3D打印在水輪機轉(zhuǎn)輪整體制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

吳中竟，段昌德，廖乾東，吳 偉

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000）

0 引言

水輪機轉(zhuǎn)輪是水力發(fā)電機組的核心部件，也是傳遞能量的主要部件，由于長期承受強烈的動載荷，因此制造質(zhì)量直接影響整個機組的安全穩(wěn)定和高效運行[1]。轉(zhuǎn)輪輪廓尺寸大，材料多為難加工的高強度鋼，葉片形狀復(fù)雜，制造十分困難。由于其核心地位和經(jīng)濟價值，發(fā)電設(shè)備制造廠商一直將轉(zhuǎn)輪制造技術(shù)作為核心競爭力的直接體現(xiàn)，不斷探索更為高效和優(yōu)質(zhì)的成型方式。

目前轉(zhuǎn)輪的常規(guī)加工方式為單個鑄造葉片加工，然后與上冠、下環(huán)組焊，或與轉(zhuǎn)輪體裝配的方式形成整體[2]，也有整體數(shù)控加工沖擊式轉(zhuǎn)輪的案例，涉及毛坯料制備、熱處理、工裝制造、數(shù)控加工等復(fù)雜工序，因此制造周期長，經(jīng)濟效益有待提升，也存在由裝配和焊接帶來難以避免的精度誤差。

3D打印技術(shù)又稱為增材制造，其原理是利用金屬、塑料等材料，通過對三維模型進行切片處理，采用分層加工、疊加成型的方式制造實體零件[3]。與傳統(tǒng)的“減材”相對，該技術(shù)無需去除大部分原材料，最突出的優(yōu)勢在于可完成復(fù)雜形狀的零件成型，目前已有包括立體光固化成型SLA、選區(qū)激光燒結(jié)SLM、熔融沉積成型FDM、電子束選區(qū)熔化EBSM、三維印刷3DP等多流派的技術(shù)類別。自20世紀80年代以來，3D打印技術(shù)迅速發(fā)展，近年來已在航空航天、國防軍工、石油、汽車、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鑒于其先進性，國內(nèi)外發(fā)電設(shè)備制造廠家已開始不斷探索該技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)輪的整體制造，并取得一定效果，帶來了效率、成本和質(zhì)量上的優(yōu)勢。

1 整鑄成型

利用3D打印技術(shù)制造砂芯或熔模，再通過鑄造成型整體轉(zhuǎn)輪，是目前3D打印應(yīng)用于轉(zhuǎn)輪制造的成功手段，如圖1所示。傳統(tǒng)的砂型鑄造采用模具造型、砂型組合澆注后形成產(chǎn)品[4]，熔模鑄造則采用可溶性材料制模，涂上多層耐火材料形成整體型殼，加熱融化模型后再澆注成型。相比將葉片、上冠和下環(huán)分別鑄造，轉(zhuǎn)輪整鑄將大幅縮短加工周期，然而復(fù)雜的曲面形狀和狹長的內(nèi)部流道，給造型制芯和制造熔模帶來了極大困難。

圖1 砂型整鑄示意圖Figure 1 Integral sand casting

3DP（three-dimensional printing，三維印刷）技術(shù)可快速打印出轉(zhuǎn)輪流道砂型，其原理是利用噴頭噴射黏結(jié)劑，在鋪滿原材料的機床上按預(yù)定軌跡逐層黏結(jié)，最終疊加形成砂型[5]。利用該技術(shù)制造砂型并整鑄的優(yōu)勢在于：

（1）相比手工和模具造型制芯，由計算機和機床控制成型復(fù)雜的流道形狀，將使砂型具有精準(zhǔn)的尺寸，余量控制更為合理。

（2）傳統(tǒng)反箱制模法對拔模角度有很高要求，而3D打印砂型對拔模角度無要求。

（3）相比轉(zhuǎn)輪各部分單獨鑄造后再加工，整體砂型鑄造大幅縮短了制造周期，尤其適用于單件小批量生產(chǎn)，還省去了模具成本。

（4）去除葉片與上冠、下環(huán)焊接的步驟，轉(zhuǎn)輪質(zhì)量不再受焊接影響，也避免小尺寸轉(zhuǎn)輪因空間限制而焊接困難的問題。

國外采用“3D打印+整鑄”的方式成型轉(zhuǎn)輪已有較成熟經(jīng)驗。根據(jù)增材制造業(yè)巨頭3D systems公司資料，俄羅斯Tushino工廠采用該公司設(shè)備iPro 9000 SLA Center 和成型材料 Accura 60，精準(zhǔn)的將轉(zhuǎn)輪模型轉(zhuǎn)化為熔模，然后鑄造成型整體混流式轉(zhuǎn)輪，如圖2所示。德國3D打印設(shè)備制造商voxeljet在砂型和熔模3D打印方面均有較強實力，其最大打印尺寸已達到4m×2m×1m，該公司基于砂型打印的整鑄轉(zhuǎn)輪直徑已達1400mm，印度KBL公司與其合作制造了直徑2m、重達3.2t的沖擊式轉(zhuǎn)輪鑄件，傳統(tǒng)制造將18個葉片分別鑄造再焊接到葉輪上，僅制造模具就需超過兩個月，過程復(fù)雜且耗時嚴重，而voxeljet的3DP 打印技術(shù)則在72h內(nèi)一次性完成了高精度的砂型打印，如圖3所示。美國GE公司也利用3D打印鑄造模具的方式制造了直徑約1m的混流式轉(zhuǎn)輪，鑄件精度遠超傳統(tǒng)方法，顯著縮短了交付周期并節(jié)約大量成本。

圖2 3D打印轉(zhuǎn)輪熔模圖Figure 2 Investment casting of turbine runner by 3D printing

國內(nèi)寧夏共享鑄鋼有限公司[6]也已成功利用3D打印和砂型鑄造相結(jié)合，成型尺寸為φ1600mm×817mm的混流式轉(zhuǎn)輪，鑄件凈重2.5t，最小壁厚僅為8mm，如圖4所示。該轉(zhuǎn)輪由于空間狹窄，葉片單獨制造后難以焊接，而整體鑄造后再加以數(shù)控加工，可快速、精確的達到轉(zhuǎn)輪相關(guān)質(zhì)量要求。

值得注意的是，雖然加工周期縮短，但由于轉(zhuǎn)輪形狀復(fù)雜，厚度和曲率變化大，更提高了對鑄造工藝的要求，澆注過程控制十分嚴格。當(dāng)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部出現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等鑄造缺陷時，由于空間狹窄，干涉嚴重，后續(xù)補焊、加工都有一定難度。同時受限于3D打印機床尺寸，暫無法應(yīng)用于大型機組的水輪機轉(zhuǎn)輪整體鑄造，成型后的轉(zhuǎn)輪也有余量留待加工，給機械加工帶來了一定挑戰(zhàn)。

圖3 沖擊式水輪機轉(zhuǎn)輪砂型Figure 3 Sand mold of pelton turbine runner

圖4 寧夏共享的3D打印砂型Figure 4 Sand mold of KOCEL by 3D printing

2 堆積成型

堆積成型屬于廣義的增材制造技術(shù)，將特定材料（如焊絲）通過焊接、電弧或激光熔化等方式逐層添加在基體上，并輔助后續(xù)加工，最終形成產(chǎn)品，是一種高效、低成本的近凈成型技術(shù)。國外已很早開始相關(guān)技術(shù)在水輪機轉(zhuǎn)輪制造上的研究。1992年國際水電巨頭安德里茨率先利用其專利技術(shù)Micro Guss（微鋪焊）進行沖擊式轉(zhuǎn)輪制造[7]，其過程如下：

（1）利用較小的鍛造圓盤先數(shù)控加工輪盤和水斗根部。

（2）采用氣體保護焊將焊接金屬持續(xù)送進并熔化堆積在已完成的水斗根部上。

（3）熱處理去應(yīng)力后再視情況數(shù)控加工、鏟磨出水斗前端。

整個過程都由計算機控制并由機器人實施堆焊，如圖5所示。該技術(shù)一舉解決了水斗根部高應(yīng)力問題以及整體水斗的難加工問題，無需重型鍛件，不受轉(zhuǎn)輪尺寸和重量的限制，所有水斗由數(shù)控加工分多步完成，實現(xiàn)100%的無損檢測并滿足高精度要求，制造周期也大幅縮短，質(zhì)量優(yōu)于整體鑄造。由于該技術(shù)的優(yōu)越性，至2009年安德里茨已利用該技術(shù)交付運行超過320個沖擊式轉(zhuǎn)輪。

同時，安德里茨已在高水頭混流式和水泵水輪機轉(zhuǎn)輪上應(yīng)用該技術(shù)[8]。該類型轉(zhuǎn)輪具有窄流道和狹長葉片，傳統(tǒng)單葉片加工再組焊的工藝嚴重受限于空間。因此利用該技術(shù)在已精加工的上冠表面逐層堆焊出葉片，熱處理后再數(shù)控精加工，如此循環(huán)直至葉片成型，最后焊接下環(huán)形成轉(zhuǎn)輪，如圖6所示。從經(jīng)濟角度而言，安德里茨公司認為Micro Guss技術(shù)適用于中小型尺寸的該類型轉(zhuǎn)輪制造。

近年來隨著高質(zhì)量的機器人堆焊技術(shù)和3D打印技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)針對轉(zhuǎn)輪堆積成型也進行了一定研究。趙艷峰[9]針對沖擊式水斗的制造問題，設(shè)計了適用于轉(zhuǎn)輪直徑1.2～1.5m的專用堆焊裝置，并研究了基于混合氣體保護的3D堆焊技術(shù)，最終采用低碳馬氏體不銹鋼實現(xiàn)了水斗的近凈成型加工。東方電機有限公司范陽陽[10]等采用機器人熔焊快速成型技術(shù)，利用鍛造基體和堆積成型的組合制造沖擊式轉(zhuǎn)輪模擬件，最終尺寸精度滿足偏差要求。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王昊[11]采用六軸機器人電弧增材制造的方式，成型了材質(zhì)為ER308L不銹鋼的模型轉(zhuǎn)輪，尺寸為φ500mm×160mm，如圖7所示。總體而言，國內(nèi)離完全掌握該技術(shù)成型水輪機轉(zhuǎn)輪仍有一定距離。

圖5 機器人堆焊沖擊式轉(zhuǎn)輪水斗Figure 5 Built-up welding of Pelton turbine runner based on robot

圖6 Micro Guss制造高水頭低比轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)輪Figure 6 Manufacturing of high-head and low-specificspeed runner by Micro Guss

圖7 電弧增材制造水輪機模型轉(zhuǎn)輪Figure 7 Model turbine runner based on arc additive manufacturing

3 轉(zhuǎn)輪凈成型

整鑄和堆積成型轉(zhuǎn)輪都屬于近凈成型，仍需一定量的機械加工使轉(zhuǎn)輪達到指定尺寸。選區(qū)激光燒結(jié)SLS、選區(qū)激光熔化SLM等3D打印技術(shù)則可直接凈成型金屬產(chǎn)品，無需或僅需少量加工即可交付，但目前應(yīng)用于轉(zhuǎn)輪制造難度很大，主要有以下原因：

（1）尺寸限制。轉(zhuǎn)輪直徑通常為1～10m不等，如三峽左岸轉(zhuǎn)輪直徑近10m，重量達400t以上，而直接成型的金屬3D打印目前最大尺寸仍不足1m，同時效率低下導(dǎo)致生產(chǎn)周期冗長，無法滿足小批量的制造需求。

（2）成本高昂。金屬3D打印的原材料和設(shè)備價格高昂，現(xiàn)有價格無法大幅降低的情況下，成型動輒數(shù)十噸重的轉(zhuǎn)輪毫無意義，成本將遠超傳統(tǒng)加工方式。

（3）技術(shù)限制。轉(zhuǎn)輪質(zhì)量要求嚴苛，包括材質(zhì)、粗糙度、尺寸公差、NDT無損檢測等，因此金屬打印的原材料制備、大尺寸零件的精度控制、殘余應(yīng)力消除、后處理等關(guān)鍵技術(shù)都有待解決。

因此目前沒有大尺寸水輪機轉(zhuǎn)輪直接3D打印凈成型的公開案例，但在小尺寸的其他葉輪類零件上已有多個案例。美國Exone公司采用直接金屬打印用于石油鉆井設(shè)備的S4不銹鋼葉輪，交貨期為15～20天，相比傳統(tǒng)制造工藝生產(chǎn)的葉輪壽命提高一倍以上。德國西門子公司[12]采用3D打印技術(shù)完成了直徑108mm的葉輪制造，并成功應(yīng)用在核電站消防水泵，試驗結(jié)果表明，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)制造部件。深圳中廣核[13]采用選區(qū)激光熔化SLM制造了不銹鋼主泵試驗葉輪，最大外徑為φ180mm，表面粗糙度Ra3.2，15天即可成型，各類力學(xué)性能優(yōu)于鑄件，如圖8所示。由以上案例可以判斷，隨著金屬打印尺寸的拓展，小微型尺寸級別的水輪機轉(zhuǎn)輪直接成型有望實現(xiàn)。

東方電機有限公司研究團隊則利用高強度納米樹脂材料，凈成型了直徑近600mm的非金屬抽蓄水輪機模型轉(zhuǎn)輪，如圖9所示。該團隊針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，采用金屬聯(lián)軸法蘭與3D打印轉(zhuǎn)輪裝配的方式，實現(xiàn)高精度快速成型，無需流道表面的精整加工，曲面尺寸精度最優(yōu)可達±0.2mm，滿足IEC國際規(guī)程要求，表面粗糙度達到Ra3.2級別，僅需少量打磨拋光處理，強度同類材料內(nèi)最優(yōu)，滿足水力試驗要求。

圖8 SLM凈成型的小直徑葉輪Figure 8 Net forming of minor-diameter runner based on SLM

該團隊在同一設(shè)計數(shù)據(jù)下利用傳統(tǒng)制造技術(shù)成型了轉(zhuǎn)輪并進行水力性能試驗對比，結(jié)果表明：3D打印轉(zhuǎn)輪與傳統(tǒng)金屬轉(zhuǎn)輪設(shè)計點位置基本重合，在各類參數(shù)上表現(xiàn)出良好的一致性，存在一定范圍的合理偏差，整體曲線和趨勢一致性較好。綜合以上，利用非金屬3D打印模型轉(zhuǎn)輪已成為一條可供參考的技術(shù)路線，然而凈成型真機轉(zhuǎn)輪，面臨著包括材料屬性、結(jié)構(gòu)強度、技術(shù)成熟度等關(guān)鍵問題的考驗，目前仍難以解決。

圖9 高強度納米樹脂轉(zhuǎn)輪Figure 9 Nano resin runner with high strength

4 展望

水輪機轉(zhuǎn)輪制造仍是各廠家不斷探索的關(guān)鍵技術(shù)之一，高效低成本的制造手段將帶來大幅效益提升，產(chǎn)品質(zhì)量也關(guān)系著水輪發(fā)電機組的運行穩(wěn)定。結(jié)合3D打印的技術(shù)發(fā)展，未來將可能針對不同尺寸轉(zhuǎn)輪實現(xiàn)多種制造方式。

4.1 整鑄成型中小尺寸轉(zhuǎn)輪

由于鑄造的低成本和高效率，“3D打印+整鑄”的方式具有重要意義?，F(xiàn)有案例中，3D打印砂型、熔模的質(zhì)量控制，配套的鑄造工藝，后續(xù)機械加工都是影響轉(zhuǎn)輪成型的關(guān)鍵問題。未來鑄造廠家和3D打印廠家的技術(shù)提升將使?jié)M足打印機尺寸的中小型轉(zhuǎn)輪實現(xiàn)快速整鑄成型，給發(fā)電設(shè)備制造廠商帶來顯著的經(jīng)濟效益。

4.2 凈成型小微型轉(zhuǎn)輪

制約金屬3D打印技術(shù)的主要因素包括尺寸受限、價格高昂、效率低下和精度控制問題。3D打印行業(yè)的廠家與研究機構(gòu)正在不斷攻克相關(guān)問題，比如拓展打印機尺寸，使用多激光頭促進效率提升，原材料和設(shè)備核心部件國產(chǎn)化從而降低成本。

在綜合考慮周期和成本因素后，3D打印將有望實現(xiàn)小微型尺寸（1m左右甚至更?。┺D(zhuǎn)輪的直接凈成型，無需或僅需少量占用數(shù)控機床，無焊接、裝配工序，無需鑄鍛件，質(zhì)量達到鍛件水平，從設(shè)計到生產(chǎn)制造的準(zhǔn)備周期大幅縮短，整個轉(zhuǎn)輪制造流程更為精簡高效，相比原有工藝將具有顯著優(yōu)勢。

4.3 堆積成型各尺寸轉(zhuǎn)輪

堆積成型受尺寸影響較小，單從技術(shù)角度分析，適用于所有尺寸的轉(zhuǎn)輪制造，其核心在于高質(zhì)量的堆焊技術(shù)掌握。然而從國外的成功經(jīng)驗來看，出于經(jīng)濟性考慮，該方式目前更適用于中小型轉(zhuǎn)輪以及高水頭低比轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)輪的制造。

5 結(jié)束語

水輪機轉(zhuǎn)輪整體制造技術(shù)由于工序簡化、交貨周期縮短、質(zhì)量優(yōu)異等特點，將給各大發(fā)電設(shè)備制造廠商帶來巨大效益，因此一直是行業(yè)競相追逐的關(guān)鍵技術(shù)。3D打印技術(shù)的興起，給轉(zhuǎn)輪的傳統(tǒng)制造方式帶來了新的選擇，目前國外部分公司已能成熟運用相關(guān)技術(shù)進行小批量生產(chǎn)，國內(nèi)公司也在持續(xù)投入研發(fā)。相信隨著3D打印核心及配套技術(shù)的發(fā)展，發(fā)揮其優(yōu)勢與傳統(tǒng)制造技術(shù)互補，未來將給水輪機轉(zhuǎn)輪整體制造帶來更優(yōu)的選擇。