汽輪機304L空心靜葉片3D打印研制

梅林波，王 煜，張紅梅

(上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機廠，上海 200240)

金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)成為當前世界主要制造大國實施技術(shù)創(chuàng)新、提振本國制造業(yè)的重要著力點。激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting，SLM)作為金屬3D打印技術(shù)的典型代表，是一種新型的激光快速成型工藝，其基于分層、疊加累積原理，使用高功率激光逐層熔化金屬粉末，從而實現(xiàn)金屬零件的快速制造，成型過程不需要復雜的工裝模具[1-2]。國際上，目前西門子、GE等行業(yè)巨頭正積極在能源領(lǐng)域進行金屬3D打印技術(shù)布局。國內(nèi)金屬3D打印技術(shù)在汽輪機零部件的設(shè)計、制造與應(yīng)用方面尚屬空白?；诖?，上海汽輪機廠(上汽廠)與上海探真激光技術(shù)有限公司(上海探真)合作，成功試制出407 mm的SLM工藝3D打印304L不銹鋼空心靜葉片樣件，并完成了136支304L不銹鋼空心靜葉片產(chǎn)品的打印、后處理以及評估。目前3D打印的空心靜葉片產(chǎn)品已成功應(yīng)用于垃圾焚燒發(fā)電項目，實現(xiàn)了3D打印技術(shù)在汽輪機行業(yè)中的首次應(yīng)用嘗試。與傳統(tǒng)鑄造空心靜葉片相比，3D打印空心靜葉片在降低模具成本的基礎(chǔ)上，有效縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，有力保證了有品質(zhì)的透平產(chǎn)品交貨期。

1 空心靜葉片產(chǎn)品信息

空心靜葉片通常采用精密鑄造或鋼板壓形、焊接的制造方式。為了在空心靜葉片上運用金屬3D打印技術(shù)，此次研究為其量身設(shè)計了三維UG模型，如圖1所示。該空心靜葉片長度為407 mm，材料為304L，葉片為空心結(jié)構(gòu)，有效厚度為3 mm，內(nèi)弧側(cè)均布一定數(shù)量的小尺寸疏水孔，這給3D打印工藝帶來一定的挑戰(zhàn)。

圖1 空心靜葉片三維UG模型

2 3D打印及后處理

2.1 粉末信息

3D打印空心靜葉片采用304L不銹鋼粉末，其化學成分如表1所示。粉末粒徑范圍在15～53 μm，松裝密度大于4.0 g/cm3，霍爾流速為16 s/50 g。

表1 304L粉末化學成分

2.2 3D打印工藝

此次研究所采用的3D打印設(shè)備為上海探真自主研制的SLM成型設(shè)備TZ-SLM500A，該設(shè)備能夠打印的零件最大尺寸為500 mm×500 mm×1 000 mm。打印葉片與隨爐試棒的工藝設(shè)計布置如圖2所示。TZ-SLM500A設(shè)備有4個500 W的IPG光纖激光器，把500 mm×500 mm尺寸的不銹鋼基板平均分成A、B、C、D 4個打印區(qū)域，每個打印區(qū)域附有3個沉積方向試棒和3個水平方向試棒。打印過程中的相關(guān)工藝參數(shù)如表2所示。

圖2 打印的葉片與隨爐試棒布置圖

表2 304 L空心靜葉片3D打印參數(shù)

2.3 后處理

3D打印完成后，將空心靜葉片和隨爐試棒連同基板一起進行真空去應(yīng)力熱處理，實物如圖3所示。去應(yīng)力熱處理時保溫4.5 h，然后隨爐冷卻至150 ℃后出爐空冷。在去應(yīng)力熱處理完成后，對打印的空心靜葉片表面進行拋磨處理。

圖3 打印的空心靜葉片和隨爐試棒實物圖

3 打印件質(zhì)量評估

3.1 化學成分

從A、B、C、D 4個打印區(qū)域中選擇沉積方向的隨爐試棒取樣，進行化學成分分析，分析結(jié)果如表3所示。可以看出，4個打印區(qū)域的隨爐試棒的化學成分均能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求。由于TZ-SLM500A設(shè)備使用高純度的Ar保護氣體對打印腔室進行清洗，因此能將成型的304L棒材中的氧含量與粉末中的氧含量控制在同一水平。

表3 4個打印區(qū)域隨爐試棒的化學成分

3.2 力學性能

4個打印區(qū)域隨爐試棒的室溫力學性能如表4所示。從表4可以看出，4個打印區(qū)域的隨爐試棒在沉積方向和水平方向上的室溫拉伸性能均能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求。沉積方向試棒的屈服強度Rp0.2和抗拉強度Rm比水平方向要低約50 MPa，存在明顯的各向異性。SLM成型的304L試棒的強度顯著高于鑄造、鍛造或軋制加工方式制造的零件，但其塑性較低，主要原因是由于SLM成型的304L試棒的顯微組織是快速凝固形成的，其晶粒尺寸比較細小。由Hall-Petch公式可知，晶粒尺寸越小，強度越高。陳偉等[3]在SLM制備的304L材料中觀察到析出相和高密度位錯，認為這使得3D打印態(tài)的304L材料強度遠高于傳統(tǒng)制造方法制備的材料。Zietala等[4]指出用特殊SLM制備奧氏體不銹鋼組織，雖然能夠提升材料強度，但是對塑性并沒有改善作用，這主要歸因于打印缺陷和非平衡相的析出所導致的材料脆化。

表4 4個打印區(qū)域隨爐試棒的室溫力學性能

3.3 顯微組織

4個打印區(qū)域試棒沉積方向的金相組織如圖4所示。從圖4可以看出，4個區(qū)域試棒沉積方向金相組織含有少量的細小未熔合缺陷，同時可以清晰地看到由激光熔覆道之間相互搭接的軌跡所形成的魚鱗狀晶界。文獻[5]指出在SLM每一層成型的過程中，2道掃描線之間需要相互搭接，之前被熔化的掃描軌跡需要掃描重熔，進而在激光熔覆道之間產(chǎn)生牢固搭接。

圖4 4個打印區(qū)域試棒沉積方向的金相組織

4個打印區(qū)域試棒水平方向的金相組織如圖5所示，從中可見4個區(qū)域試棒水平方向也存在少量的細小未熔合缺陷，金相組織主要以形狀不規(guī)則的奧氏體晶粒為主。丁利等[6]認為未熔合缺陷主要是由于成型過程中激光能量輸入不足或者搭接率和重熔率不足，從而使相鄰沉積層未完全融合在一起所導致的。

A打印區(qū)域隨爐試棒拉伸斷口SEM照片如圖6所示。從圖6可以看出，沉積和水平方向拉伸試樣斷口均表現(xiàn)出韌性斷裂特征。從SEM照片上可以看到明顯的韌窩，說明斷裂方式為沿晶斷裂，宏觀上顯示出良好的塑性。

3.4 致密度

依據(jù)阿基米德原理，按照GB/T 3850測試隨爐打印試棒的體積密度，然后將測試結(jié)果與理論密度對比，獲得打印試棒的致密度。304L不銹鋼的理論密度為7.93 g/cm3。4個打印區(qū)域隨爐試棒的體積密度和致密度試驗結(jié)果如表5所示。

4個打印區(qū)域沉積方向和水平方向隨爐試棒的致密度均在98%以上。文獻[7]表明，對于奧氏體不銹鋼材料，激光功率310 W、掃描速度為960 mm/s、掃描層厚為0.04 mm、掃描間距為0.13 mm時，打印的316L零件的致密度超過98%，材料強度和致密度達到最佳狀態(tài)，這與本文打印葉片所選擇的工藝參數(shù)和試驗結(jié)果基本一致。李瑞迪等[8]的研究結(jié)果表明，可以通過提高激光打印功率，降低掃描速度、鋪粉層厚以及掃描間隔等措施，獲得高致密度的304L不銹鋼材料。Gu等[9]的研究指出，在一定的激光波長λ下，較高的掃描速度會使得掃描軌跡直徑R快速下降，從而導致λ/R隨之增大，較大的λ/R容易導致球化現(xiàn)象，所以高激光功率和低掃描速度有利于減少球化現(xiàn)象，促進致密化。

A區(qū)域靜葉片背弧側(cè)取樣進行體積密度測試的位置如圖7所示，其結(jié)果如表6所示。從圖7和表6可以看出，A區(qū)域打印的空心靜葉片3個位置的體積密度實測平均值為7.87 g/cm3，理論密度為7.93 g/cm3，相對致密度已經(jīng)達到99.24%，打印的空心靜葉片的致密度與隨爐試棒的致密度基本吻合。

圖7 A區(qū)域靜葉片背弧側(cè)取樣位置

表6 A區(qū)域靜葉片不同位置的體積密度測試結(jié)果

3.5 葉片PT檢驗

對4個打印區(qū)域空心靜葉片進行PT檢測，線性和非線性指示按照鑄件或鋼板的評定要求進行評定。4個打印區(qū)域各1支靜葉片的PT檢驗結(jié)果如圖8所示。從檢驗結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，由此證實此次研究所采用的技術(shù)和工藝均滿足相關(guān)要求。

圖8 4個打印區(qū)域葉片的PT檢驗結(jié)果

4 結(jié) 論

本文根據(jù)3D打印技術(shù)的特點設(shè)計了空心靜葉片產(chǎn)品，并采用優(yōu)化的粉末特性、SLM成型工藝以及后處理工藝，成功打印出304L不銹鋼空心靜葉片和隨爐試棒。相關(guān)檢驗結(jié)果表明：

1)4個打印區(qū)域隨爐試棒的化學成分、力學性能和金相組織均滿足相關(guān)技術(shù)要求，其中沉積方向隨爐試棒的屈服強度和抗拉強度低于水平方向，表現(xiàn)出明顯的各向異性；從隨爐試棒的金相組織中觀察到少量細小的未熔合缺陷。

2)打印的空心靜葉片和隨爐試棒的致密度均在98%以上，呈現(xiàn)出良好的致密性。

3)PT檢驗結(jié)果顯示，葉片內(nèi)弧面和外弧面均沒有明顯缺陷，無損探傷結(jié)果符合鑄件或鋼板的評定要求。

按照本文工藝方法研制的304L不銹鋼3D打印空心靜葉片，其隨爐試棒評估結(jié)果顯示各項指標均能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求。136支3D打印空心靜葉片已成功應(yīng)用于垃圾焚燒發(fā)電機組，實現(xiàn)了3D打印技術(shù)在汽輪機行業(yè)中的首次應(yīng)用嘗試。