西門子和Fraunhofer 研究所合作3D列印燃氣輪機葉片

燃氣輪機是以連續流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉，將燃料的能量轉變為有用功的內燃式動力機械，是一種旋轉葉輪式熱力發動機。燃氣輪機的應用主要分為兩大類，一類是以勞斯萊斯、普惠、GE為代表的航空發動機公司用航空發動機改型而形成的輕型燃氣輪機，主要用於工業和輪船；一類是以西門子、ABB、GE公司為代表，遵循傳統的蒸汽輪機理念發展起來的工業重型燃氣輪機，主要用於機械驅動和大型電站。

燃氣輪機由壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪等部分組成。燃燒室和渦輪不僅工作溫度高，而且還承受燃氣輪機在起動和停機時，因溫度劇烈變化引起的熱衝擊，工作條件惡劣，它們是決定燃氣輪機壽命的關鍵部件。為確保有足夠的壽命，這兩大部件中工作條件最差的零件，例如葉片，是使用高溫材料製造的。不僅如此，還需要為葉片等零部件設計冷卻結構，從而保證它的使用壽命。帶冷卻結構的葉片對製造技術提出巨大挑戰。西門子公司與德國Fraunhofer 激光技術研究所合作，使用SLM 3D列印技術優化了複雜的燃氣輪機渦輪葉片的製造工藝。本期，3D科學谷就與谷友一起分享這個案例。

模塊化的設計和製造

西門子公司在德國柏林附近建立了清潔能源中心，這裡是燃氣輪機進行測試的試驗場，燃氣輪機在這裡將經過超過1500°C 的高溫測試。測試的目的是優化燃氣輪機的燃燒過程，從而達到更好的能源利用效率。

但是由於燃氣輪機的葉輪是使用高溫合金精密鑄造而成的，葉輪的製造周期長達數月之久，並且花費不菲，從而導致燃氣輪機產品的測試周期過長。為了改善這一狀況，西門子與德國Fraunhofer激光技術研究所合作，通過選擇性激光熔化（SLM） 3D列印技術優化燃氣輪機葉片的製造工藝，實現快速製造。

圖片來源：Siemens

我們已經了解到，在燃氣輪機運行時渦輪葉片將處在一種高溫環境中。渦輪機中的導向葉片將使熱氣流通到移動轉子葉片中。導向葉片包括兩個平台和一個帶複雜冷卻結構的翼型件。帶冷卻結構的翼型件對製造提出了巨大挑戰。

模塊化製造導向葉片中的部件，材料：Inconel® 718

圖片來源：Fraunhofer ILT

SLM 3D列印技術雖然相比傳統工藝更適合承擔複雜零部件的製造，但是進行3D列印時需要添加內部的支撐結構。支撐結構的存在為列印之後的後續處理工作增加了難度。為了盡量在3D列印時減少支撐構，Fraunhofer激光技術研究所 採用了模塊化的葉片設計思路，將葉片的兩個部分分別進行3D列印，完成之後再進行焊接。

完成焊接的導向葉片

圖片來源：Fraunhofer ILT

經激光技術研究所改進后的工藝鏈完成了帶複雜冷卻結構的葉片製造任務，並且提高了表面質量。西門子公司在導向葉片完成3D列印之後進行了精密測量、精加工以及高溫焊接工作。在雙方合作下製造的功能性葉片經過了大量的測試，設計工程師在測試中獲得了大量數據。

渦輪機葉片模塊化設計和製造思路為其他複雜零部件的製造提供了可借鑒的經驗，也為連接精密鑄造的零部件與SLM 3D列印的零部件提供了可能性。同時，對於目前金屬3D列印設備無法完成的大型複雜零部件，也可以從模塊化設計和製造的思路中得到一定啟示。

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