3D打印技術在燃氣輪機葉片快速制造中的應用進展

宋爽 肖舒寧 張筱

摘? ?要：隨著科技的不斷進步和發展，燃氣輪機葉片的快速制造中普遍應用了3D技術，本文主要針對的就是對國內外主流的金屬3D打印技術在燃機葉片快速制造中的研究現狀進行充分的分析，探討金屬3D技術與傳統的制造工藝之間的區別，闡述其優勢，并介紹了3D打印技術在燃氣輪機葉片中的研究進展。結果顯示，3D打印技術在燃氣輪機葉片快速制造領域具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：燃氣輪機葉片? 3D打印技術? 快速制造與修復? 熔模鑄造

中圖分類號：TG115? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0075-02

燃氣輪機葉片快速制造是屬于國家的高新技術制造產業，燃氣輪機葉片快速制造中對于材料的要求是比較高的，對于幾何圖形的精準度的要求也十分高，與傳統的制造工藝相比，在刀具材料的選擇上，葉片的加工質量上，以及葉片的制造成本和生產周期上都具有著明顯的優勢，產品加工質量的穩定性也得到了很好的保證。3D打印技術作為一種新興起的技術，具有著很強的靈活性，對于傳統的制造業造成了很大的沖擊，也被人們越來越多地關注和應用。它最大的產品優勢就是可以快速地生產小批量的產品，對于一些復雜且難加工的材料制造具有很廣泛的發展前景，并沒有過多的生產工藝的制造過程，是一種可以廣泛研究和深入發展的一項高新技術。

1? 3D打印技術在燃機葉片制造領域的應用

（1）直接打印燃機葉片模型。

相比較傳統的制造工藝，3D打印技術是一種節省材料的制造方式，它可以極大地節省生產成本，并且縮短產品的生產周期，對于燃氣機葉片模型的打印可以直接進行，并可以在制造的過程中對于葉片的模型信息及時地進行調整，對于不同的葉片性能的要求可以及時地進行調整，減少了不必要的時間浪費和材料浪費。

（2）修復葉片。

燃氣輪葉片經過長時間的運作會出現設備的老化和疲勞損傷的現象，但是一般葉片的生產周期都較長，生產成本也較高，一旦要更新葉片就會影響整個發電廠的生產，但是3D打印技術就具有很強的修復能力，進而降低了生產成本，提高了葉片的生命周期，提高了發電廠的生產效率。

2? 金屬3D打印技術制造燃機葉片

燃氣葉片金屬材料的制造工藝與傳統的制造工藝相比較有很多的優勢，金屬3D打印技術作為3D打印技術中發展最快的一部分，其打印設備的銷量正在持續增長，具有著高效、低消耗、低成本的優點，相比較傳統的制造工藝具有以下優勢。

2.1 成型幾何形狀復雜的葉片產品

傳統的葉片的加工方式已經很難保證產品的精準度，對于復雜的葉片模型，也僅僅是只考慮切削熱應力的影響產生的變形，但是輪盤式葉片的制造過程更加的復雜，葉片和輪盤裝配的精度難以保證，金屬3D打印葉片不受傳統的加工手段制約，它能夠加工各種形狀復雜和難以制造的零件，在使用特點和性能上也具備一定的特殊性。通過這種制造方式，能夠使零件的尺寸幾乎接近成品的尺寸，更加的精細和準確，這些都是傳統的加工方法無法做到的。

2.2 節省制造成本

金屬3D打印技術可以將復雜結構的金屬零件免去了模具的設計以及制造環節，節省了制造的成本，極大地縮短了新品的研發和制造周期，使得生產效率也得到了顯著的提高，并且對于原材料的利用率以及回收率也較高，符合我們可持續性發展的要求，低碳高效且環保。

3? 激光熔覆技術修復燃機葉片

燃氣輪機工作中的葉片的損傷程度與其他的相比占很大的比重。如果對損傷的葉片進行直接替換，就會大大增加了燃機運用維護的成本，生產就會停滯不前，直接影響了生產效率和生產的周期。而激光熔覆技術作為一個分支也具有著很大的優勢，可以對任意部件任意位置失去的材料進行定向集中的修復，對待修復葉片的影響較小，保證了尺寸的完整性以及精準度，能夠有效地修復葉片在惡劣工況下的機械性能，能夠延長葉片的使用壽命。

4? 基于3D打印的燃機葉片熔模鑄造

近幾年來，3D打印技術迅速發展，廣泛地應用于各個制造業領域。3D打印技術作為一種快成型技術，與鑄造有很強的契合性。3D打印技術可以與熔模鑄造技術相結合。

4.1 3D打印葉片熔模模型

將3D打印葉片熔鑄成模型，可以大大地縮短產品設計研發的周期，具體的工藝流程為：設計鑄造工藝流程——產品三維造型設計——粘結蠟質澆注系統——制作型殼——脫模型材料———澆注金屬液--鑄件表面清理——鑄件產品質量檢測——鑄件產品精加工且檢測合格后交付用戶。

4.2 光固化立體成型葉片熔模模型

光固化立體成型葉片熔模模型是具有一種支撐材料的模型，具有層層固化的功能，第一層固化后，移動到工作臺，新固化好的材料模型與前一個模型進行很好的粘合，這種反復的固化成型技術打印中空結構和網狀結構的葉片模型，從而滿足熔模鑄造工藝要求。

5? 3D打印技術應用于燃機葉片制造領域的優勢

燃氣輪機最為關鍵的零部件就是燃氣葉片，它不僅提高了燃氣輪機的使用性能，也能夠提高其安全性和使用的效率，具有很多的優勢。

（1）采用3D打印技術不僅僅可以省去葉片的鑄造以及加工等復雜的工藝流程，與傳統的制造方式相比還具有很多的優勢，它能夠極大地節省制造成本以及縮短制造的生產周期。

（2）金屬3D打印技術成型燃氣輪機葉片方便了對產品生產過程的全效控制，減少了生產過程中很多的不確定因素，由于大多數是機器進行打印，因此也就減少了人為的影響因素，產品的質量與傳統的打印技術相比也就更加的精準。

（3）3D打印技術用于熔模鑄造方面可以有效的較少不必要的模具制造的時間，縮短產品的研發周期，對于尺寸的精準度有了更高的要求，由于現在市場的需求在不斷擴大，因此面對燃機葉片的精準度、使用壽命以及成本和產生的效率等都有著很強的要求，這些高標準嚴要求必然對先進燃機葉片快速制造領域產生深遠影響。

6? 結語

現在3D打印對于普通的群眾來說還是較為陌生的，但是對于行業來說，卻會有大增長的民用領域市場，3D打印已經走入了家庭，同時也更加廣泛地應用到了制造業當中，尤其是燃氣輪機葉片的制造工藝當中，它具有著很強的優勢，能夠滿足縮短燃氣輪機葉片研發周期的需要。但是我國的3D打印技術以及產業距離成熟的階段還是有很大的距離，因此將3D打印技術與傳統的制造技術應該相輔相成，共同進步，只有這樣才能促進燃氣輪機葉片的快速制造，并且符合市場的需求和發展。

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