■ 吳宏超 袁浩 魏佳明 閆志勇 姚世傳 / 杭州汽輪動力集團有限公司

燃氣輪機研發(fā)過程中的一些關(guān)鍵零件的定型會經(jīng)過多次的設(shè)計和改進，使用傳統(tǒng)方法制造周期相對較長。增材制造（3D打印）技術(shù)以其靈活多樣的工藝方法和技術(shù)優(yōu)勢，在燃氣輪機研發(fā)與生產(chǎn)中具有獨特的應用前景。

增材制造技術(shù)最早起源于美國。20世紀80年代后期，隨著計算機技術(shù)的進步，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)點是可不借助機械加工或模具，直接用計算機三維設(shè)計的圖形數(shù)據(jù)制造出形狀復雜的零件，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：與傳統(tǒng)的“減材”加工相比，增材制造大大減少了材料浪費；而且可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)難以實現(xiàn)的復雜外形或內(nèi)腔結(jié)構(gòu)；此外，在產(chǎn)品處于概念或圖樣設(shè)計階段，增材制造技術(shù)可以簡化制造過程，快速有效地生產(chǎn)出單個樣品，便于設(shè)計測試及迭代優(yōu)化。增材制造技術(shù)的缺點主要是由于在打印成形過程中，材料的熔化、凝固和冷卻快速完成，導致產(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，而且原材料價格較高導致增材制造費用不菲。

燃氣輪機研發(fā)的技術(shù)特點

燃氣輪機渦輪靜葉片流量試驗件

在燃氣輪機研發(fā)過程中需要開展諸多的試驗測試，使用傳統(tǒng)的制造方式加工一些具有復雜空腔結(jié)構(gòu)的試驗件費時費力，而且此類單件或小批量的試驗件加工成本較高，所以研發(fā)過程中不能做足夠多的試驗件。

燃氣輪機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，同時含有稀土元素，屬于難加工材質(zhì)，傳統(tǒng)加工只能通過磨削、電火花或激光等特種加工方式，同時由于具有復雜冷卻結(jié)構(gòu)，加工后還需要進行焊接等工序。傳統(tǒng)加工方式應用特種設(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，此外，加工高溫合金的渣屑廢液必須經(jīng)過嚴格的回收處理以免污染水質(zhì)或土壤。

增材制造技術(shù)在燃氣輪機研發(fā)過程中的應用

氣冷空心渦輪葉片

氣冷空心渦輪葉片研發(fā)的一個重要參數(shù)是通過葉片的冷卻空氣流量要和預估的一致，以往要等到成品葉片加工成形后才能測試其流量，若與設(shè)計預估流量偏差較大，調(diào)整起來費時費力。如果用光固化樹脂增材制造出來的模型進行相應的流量試驗，試驗接口也一次性制成，可以大大縮短試驗周期，在設(shè)計前期就可以驗證設(shè)計的空心葉片是否能夠通過足夠的冷氣流量。

換熱試驗件

燃氣輪機研發(fā)過程中針對渦輪葉片需要進行多次試驗和迭代。其中，外換熱試驗將增材制造的金屬葉片試驗件放在流道中以測試其外壁面的外換熱系數(shù)，替代傳統(tǒng)的機械加工的葉片試驗件。內(nèi)換熱試驗用于檢測復雜空心葉片內(nèi)流道的換熱情況，為了便于測量和觀察，需要試驗件為透明材質(zhì)，采用透明樹脂增材制造，成形的試驗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)換熱的試驗件，替代傳統(tǒng)機械加工的有機玻璃試驗件。

增材制造的氣冷空心葉片

增材制造的燃氣輪機渦輪動葉片

綜合冷效試驗件

燃氣輪機渦輪葉片的另一個重要試驗即綜合冷效試驗，將成品葉片放在高溫燃氣中，驗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行及壽命要求。這類試驗一般需要成品葉片已經(jīng)加工完成或者直接在整機上進行，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，試驗件可以在真實服役的高溫燃氣環(huán)境中保持高的可靠性，使得在研發(fā)進程中這一試驗至少可以提前兩年完成，大大提高了冷卻設(shè)計的成功率。

增材制造技術(shù)在燃氣輪機生產(chǎn)過程中的應用

增材制造技術(shù)在燃氣輪機的制造上已有了廣泛應用，并且推出了面向燃氣輪機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)復雜、質(zhì)量較輕、相比傳統(tǒng)制造具有成本優(yōu)勢的零部件上。

在增材制造燃氣輪機導向和工作葉片的研發(fā)和應用方面，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)通過滿負荷核心機試驗的考核。葉片安裝在西門子公司的SGT-400工業(yè)燃氣輪機上，輸出功率為13MW。試驗中使用的葉片，由材料解決方案（Materials Solutions）公司負責生產(chǎn)，這家公司位于英國的伍斯特地區(qū)，專門負責生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)機械的高溫應用零部件，已被西門子公司收購。葉片的冷卻設(shè)計通過不斷測試得到改良，進而提高了整個機組的熱力效率，為用戶提供了更有競爭力的產(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。通過試驗的考核，產(chǎn)品的表面粗糙度、精度和材料參數(shù)等對確保部件運行起到關(guān)鍵作用的指標得到驗證。

西門子SGT-400型燃氣輪機

增材制造的燃燒室

增材制造的陶瓷型芯

工業(yè)生產(chǎn)過程中產(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，因為這些燃料的工質(zhì)特性要求在燃燒之前先進行均勻的混合。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)計使天然氣摻混比例的量級提高到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，順利運行8000h以上。

按照傳統(tǒng)方法，燃燒室頭部包括13個零件，需要進行18次焊接。而采用新方法之后，整體生產(chǎn)均為一體成形，極大簡化了加工工藝。同時一體化的設(shè)計制造可提高產(chǎn)品的耐熱和強度性能，進而提高燃氣輪機的使用壽命，降低維護成本。今后在西門子公司的燃氣輪機中，運用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的燃燒室將代替以前焊接的燃燒室，以實現(xiàn)各種復雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如，交織纏繞的空心部件以及采用蜂窩狀填充的無縫雙層結(jié)構(gòu)。

在燃氣輪機損傷修復市場上，增材制造技術(shù)也有著廣泛的應用需求，而且已經(jīng)開始了市場化的發(fā)展。西門子公司的檢修技術(shù)人員通過部分再造的方式完成舊部件的快速修復，他們將已經(jīng)長時間工作的燃燒室從機組上拆下返廠，去掉頂部，以此為基礎(chǔ)對去掉的部分進行增材制造，整個流程花費時間一共不超過20h，方便快捷。

大型設(shè)備的停工，每一刻都會引起巨大的經(jīng)濟損失，利用這樣快速制造的特點可以很好地縮短停工時間，并且新?lián)Q部件通?？梢允剐侍岣?%或者更多，增加產(chǎn)品的經(jīng)濟性。此外，增材制造修復技術(shù)在渦輪轉(zhuǎn)子葉片上也有一定應用。渦輪轉(zhuǎn)子葉頂部工作環(huán)境惡劣，由于長期被高溫工質(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，通過增材制造的方式對葉尖進行重新制造，也可以使其持續(xù)保持較高的工作效率。

另外，針對燃氣輪機渦輪葉片預研制造成本高、周期長等問題，在渦輪葉片蠟模模具制造方面，基于光固化成形技術(shù)，可以實現(xiàn)在蠟模模具內(nèi)植入任意復雜結(jié)構(gòu)冷卻流道的制造，通過凝膠注模技術(shù)與光固化成形技術(shù)的結(jié)合，制造葉片蠟模樹脂基模具，從而為預研渦輪葉片的快速制造提供了一種新方法。相對于采用金屬模具制造渦輪葉片，其周期由1個月縮短至10天，制造成本大大降低。針對空心葉片鑄造所采用的陶瓷型芯成形難、報廢率高等問題，采用增材制造技術(shù)直接成形陶瓷型芯，減少了復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

綜上，增材制造技術(shù)在燃氣輪機研發(fā)和制造中有著較多的應用。隨著更多高溫合金粉末被開發(fā)和生產(chǎn)出來，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題得到充分的解決，增材制造件作為成品件（不限于試驗件）在燃氣輪機中的應用也會越來越廣泛。