燃氣輪機是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動力機械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動機。燃氣輪機的應(yīng)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(fā)動機公司用航空發(fā)動機改型而形成的輕型燃氣輪機，主要用于工業(yè)和輪船;一類是以西門子、ABB、GE公司為代表，遵循傳統(tǒng)的蒸汽輪機理念發(fā)展起來的工業(yè)重型燃氣輪機，主要用于機械驅(qū)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沖擊，工作條件惡劣，它們是決定燃氣輪機壽命的關(guān)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，是使用高溫材料制造的。不僅如此，還需要為葉片等零部件設(shè)計冷卻結(jié)構(gòu)，從而保證它的使用壽命。帶冷卻結(jié)構(gòu)的葉片對制造技術(shù)提出巨大挑戰(zhàn)。西門子公司與德國Fraunhofer 激光技術(shù)研究所合作，使用SLM 3D打印技術(shù)優(yōu)化了復(fù)雜的燃氣輪機渦輪葉片的制造工藝。

模塊化的設(shè)計和制造

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

但是由于燃氣輪機的葉輪是使用高溫合金精密鑄造而成的，葉輪的制造周期長達數(shù)月之久，并且花費不菲，從而導(dǎo)致燃氣輪機產(chǎn)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(shù)研究所合作，通過選擇性激光熔化(SLM) 3D打印技術(shù)優(yōu)化燃氣輪機葉片的制造工藝，實現(xiàn)快速制造。

我們已經(jīng)了解到，在燃氣輪機運行時渦輪葉片將處在一種高溫環(huán)境中。渦輪機中的導(dǎo)向葉片將使熱氣流通到移動轉(zhuǎn)子葉片中。導(dǎo)向葉片包括兩個平臺和一個帶復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)的翼型件。帶冷卻結(jié)構(gòu)的翼型件對制造提出了巨大挑戰(zhàn)。

模塊化制造導(dǎo)向葉片中的部件，材料：Inconel? 718

SLM 3D打印技術(shù)雖然相比傳統(tǒng)工藝更適合承擔復(fù)雜零部件的制造，但是進行3D打印時需要添加內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)的存在為打印之后的后續(xù)處理工作增加了難度。為了盡量在3D打印時減少支撐構(gòu)，F(xiàn)raunhofer激光技術(shù)研究所 采用了模塊化的葉片設(shè)計思路，將葉片的兩個部分分別進行3D打印，完成之后再進行焊接。

經(jīng)激光技術(shù)研究所改進后的工藝鏈完成了帶復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)的葉片制造任務(wù)，并且提高了表面質(zhì)量。西門子公司在導(dǎo)向葉片完成3D打印之后進行了精密測量、精加工以及高溫焊接工作。在雙方合作下制造的功能性葉片經(jīng)過了大量的測試，設(shè)計工程師在測試中獲得了大量數(shù)據(jù)。

渦輪機葉片模塊化設(shè)計和制造思路為其他復(fù)雜零部件的制造提供了可借鑒的經(jīng)驗，也為連接精密鑄造的零部件與SLM 3D打印的零部件提供了可能性。同時，對于目前金屬3D打印設(shè)備無法完成的大型復(fù)雜零部件，也可以從模塊化設(shè)計和制造的思路中得到一定啟示。