基于熔融沉積技術的汽輪機葉片熔模鑄造生產

劉艷波

摘? 要：汽輪機屬于旋轉型的蒸汽動力裝置，高壓高溫的蒸汽穿透汽輪機固定噴嘴處后，會被轉變為速度極快的氣流，直接噴射到葉片上，推動轉子旋轉，向外做功。火力發電廠中的汽輪機是核心設備，這種設備在船舶動力裝置、化學工業以及冶金工業中也被有效使用。考慮到其葉片的重要功能，在生產時，必須重視生產質量與效率，現探討熔融沉積技術在熔模過程中的重要意義。

關鍵詞：熔融沉積技術;汽輪機;葉片;熔模鑄造

現代工業生產活動需要有汽輪機設備的支持，在加工制造汽輪機的葉片時，必須要關注熔融沉積技術的使用情況，確保葉片的質量，使用傳統的熔模鑄造技術需要消耗較長的設計周期，同時還要進行反復驗證，整體成本比較高，而新型熔融沉積技術可以輔助葉片生產，簡化加工過程的同時，還可確保汽輪機葉片的標準性與一致性，現分析技術應用建議。

1 熔融沉積技術概述

燃氣輪機是現代制造業的“動力之源”，其中的渦輪高溫葉片則是燃氣輪機的核心部件之一。葉片在高溫、高速、高應力和高腐蝕的環境下工作，對組織性能和加工質量要求極高。其結構復雜，制造難度大，目前多采用熔模鑄造技術來制作。燃氣輪機葉片升級換代快。如何快速制造新型葉片樣件成了擺在鑄造工作者面前的重要任務。采用熔融沉積技術（FDM）打印ABS材質作為零件模樣、粘接蠟質澆冒系統模樣，制造型殼，獲得了合格葉片鑄件。

快速原型技術（ Rapid prototyping pechnology，RPT）是利用“離散/堆積”的原理，逐層堆積成型零件或產品的原型。與“減材制造”相對應，快速成型技術又被稱為“增材制造”。它基于材料的堆積，集機械工程、三維掃描、分層制造技術、材料科學等于一身，將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段。

熔融沉積技術（Fused deposition modeling，FDM）作為快速成型工藝的一種，其過程中無需專門的工裝夾具，從CAD數字模型到獲得相應的原型或零件，僅需數小時或數十小時。FDM工藝多采用ABS絲材，成型溫度通常為80～120℃。與其他的RPT工藝相比，FDM工藝不依賴于激光技術，其成型設備結構簡單，維護方便，并且是目前RTP設備中價格最低，其使用的ABS絲材的成本低，易于儲存和更換，對環境無污染。

2 快速熔模鑄造生產活動分析

2.1 生產ABS模樣

首先應當結合葉片設計圖紙，將其三維造型完整地設計出來。確定葉片的各種設計參數，使用UG軟件，對汽輪機的葉片展開數字化模擬工作，設計三維模型時，必須要對原來的葉片進行簡化，可以減去一些構件，將葉身內形取消，另外氣模孔、隔肋、擾流柱等細部結構也可被省略。形成葉片的模型之后，將其進行格式轉換，轉變為新的STL格式。

使用3D打印機將ABS模樣完整地打印，確定打印出的模型能夠滿足建模尺寸設置要求。輸入格式為STL的文件，使用專用型的分層模塊達到分層優化的目的，確定定點、面與邊的數量。在實際的工作中，需對原來的支撐材質以及打印路徑展開優化。制定打印方案之后，選出最合適的打印方案，選定不同打印方案的基本指標為打印效果與使用的支撐方式。

展開打印活動時，葉片模型材料的溫度經測定為312℃，支撐材料的溫度數值為312℃，層厚度尺寸為0.254mm，壁厚度數值為0.914mm。打印時間大約為2.5h，之后即可獲取ABS模樣。

2.2 制作蠟模組

完成模樣生產工作之后，可繼續制造蠟模組。針對葉片的具體特點來設計鑄造工藝方案。澆筑系統型式極其明顯，主要由分配直澆道、橫澆道以及澆口杯共同構成。為了避免拉模組出現變形的問題，應當增加拉筋，輔助制作拉模的工作。運用瞬態熱分析技術手段與相應的系統結構，可使熱場耦合技術手段也發揮效用，展開有限元模擬活動，對澆冒系統的應用合理性進行考察，控制應力與鎖孔缺陷帶去的影響，形成科學的模組設計鑄造工藝技術手段。

結合工藝方案，蠟模澆筑工作不能出現差錯，否則加工葉片的工作會被延誤。進行澆筑工作時，應當使用商業蠟，在110到150℃的條件對蠟料進行保溫處理工作，同時還必須配合攪拌處理。在54到70℃的溫度條件下，確定保溫時間已經達到了24小時之后，可啟動壓制澆筑裝置，蠟模室溫范圍為18到25℃，濕度在30%到70%。粘結蠟質澆筑系統與ABS模板。

2.3 制作型殼

在最后的加工環節中，需要完成型殼制作工作。結合試劑數據，對熔模鑄造過程中應用的涂料配方展開調整，使型殼保持比較高的膨脹率，完成脫蠟與脫ABS殼工作時，需確認型殼是否出現了破裂與微變形的問題，使型殼保持完整。

設置工藝參數時，必須要關注會對葉片產生重要影響的關鍵參數，對掛砂的過程進行有效控制，調整加工環境的溫濕度，確保干燥工作間與制殼工作間的濕度與溫度均能夠達到標準，對工作間的風速展開嚴格監控，在干燥控制環節中，應當重點控制干燥溫度。

一共掛砂五層半，配方部分參數見表1。

脫蠟和脫ABS。首先在DN型蒸汽脫蠟釜中脫蠟，溫度152℃，時間6min。然后按照制訂的工藝路線在焙燒爐中脫ABS，獲得了完整的型殼。葉片產品。澆注前再次焙燒。采用手抬包澆注。澆注金屬后，冷卻180min脫殼。

完成前期熔融沉積處理工作后，需對產品的細節部位進行加工與改進，確保產品與設計圖保持一致。

首次采用FDM打印的ABS模樣粘接蠟質的澆注系統的快速熔模鑄造技術，生產了汽輪機葉片，為企業創造了新的經濟增長點。3D打印技術在鑄造方面的應用越來越廣泛，鑄造企業必須抓緊時機，結合自己的現有條件，迎頭趕上。

3 結束語

燃氣輪機在工業生產活動中的使用率比較高，其葉片作為核心部件，必須被嚴謹對待，葉片的運行環境存在高腐蝕性、高速以及高溫的特點，因此葉片在加工質量與組織性能方面的要求必須被滿足。考慮到葉片具有的復雜結合，技術人員對原來的熔模鑄造技術進行了改進，結合葉片部件升級換代速度快的特點，發揮了熔融沉積技術的作用。提升了汽輪機葉片的整體合格率。

參考文獻

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