3D打印技术在燃气轮机叶片快速制造中的应用进展

宋爽 肖舒宁 张筱

摘   要：随着科技的不断进步和发展，燃气轮机叶片的快速制造中普遍应用了3D技术，本文主要针对的就是对国内外主流的金属3D打印技术在燃机叶片快速制造中的研究现状进行充分的分析，探讨金属3D技术与传统的制造工艺之间的区别，阐述其优势，并介绍了3D打印技术在燃气轮机叶片中的研究进展。结果显示，3D打印技术在燃气轮机叶片快速制造领域具有广阔的应用前景。

关键词：燃气轮机叶片  3D打印技术  快速制造与修复  熔模铸造

中图分类号：TG115                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0075-02

燃气轮机叶片快速制造是属于国家的高新技术制造产业，燃气轮机叶片快速制造中对于材料的要求是比较高的，对于几何图形的精准度的要求也十分高，与传统的制造工艺相比，在刀具材料的选择上，叶片的加工质量上，以及叶片的制造成本和生产周期上都具有着明显的优势，产品加工质量的稳定性也得到了很好的保证。3D打印技术作为一种新兴起的技术，具有着很强的灵活性，对于传统的制造业造成了很大的冲击，也被人们越来越多地关注和应用。它最大的产品优势就是可以快速地生产小批量的产品，对于一些复杂且难加工的材料制造具有很广泛的发展前景，并没有过多的生产工艺的制造过程，是一种可以广泛研究和深入发展的一项高新技术。

1  3D打印技术在燃机叶片制造领域的应用

（1）直接打印燃機叶片模型。

相比较传统的制造工艺，3D打印技术是一种节省材料的制造方式，它可以极大地节省生产成本，并且缩短产品的生产周期，对于燃气机叶片模型的打印可以直接进行，并可以在制造的过程中对于叶片的模型信息及时地进行调整，对于不同的叶片性能的要求可以及时地进行调整，减少了不必要的时间浪费和材料浪费。

（2）修复叶片。

燃气轮叶片经过长时间的运作会出现设备的老化和疲劳损伤的现象，但是一般叶片的生产周期都较长，生产成本也较高，一旦要更新叶片就会影响整个发电厂的生产，但是3D打印技术就具有很强的修复能力，进而降低了生产成本，提高了叶片的生命周期，提高了发电厂的生产效率。

2  金属3D打印技术制造燃机叶片

燃气叶片金属材料的制造工艺与传统的制造工艺相比较有很多的优势，金属3D打印技术作为3D打印技术中发展最快的一部分，其打印设备的销量正在持续增长，具有着高效、低消耗、低成本的优点，相比较传统的制造工艺具有以下优势。

2.1 成型几何形状复杂的叶片产品

传统的叶片的加工方式已经很难保证产品的精准度，对于复杂的叶片模型，也仅仅是只考虑切削热应力的影响产生的变形，但是轮盘式叶片的制造过程更加的复杂，叶片和轮盘装配的精度难以保证，金属3D打印叶片不受传统的加工手段制约，它能够加工各种形状复杂和难以制造的零件，在使用特点和性能上也具备一定的特殊性。通过这种制造方式，能够使零件的尺寸几乎接近成品的尺寸，更加的精细和准确，这些都是传统的加工方法无法做到的。

2.2 节省制造成本

金属3D打印技术可以将复杂结构的金属零件免去了模具的设计以及制造环节，节省了制造的成本，极大地缩短了新品的研发和制造周期，使得生产效率也得到了显著的提高，并且对于原材料的利用率以及回收率也较高，符合我们可持续性发展的要求，低碳高效且环保。

3  激光熔覆技术修复燃机叶片

燃气轮机工作中的叶片的损伤程度与其他的相比占很大的比重。如果对损伤的叶片进行直接替换，就会大大增加了燃机运用维护的成本，生产就会停滞不前，直接影响了生产效率和生产的周期。而激光熔覆技术作为一个分支也具有着很大的优势，可以对任意部件任意位置失去的材料进行定向集中的修复，对待修复叶片的影响较小，保证了尺寸的完整性以及精准度，能够有效地修复叶片在恶劣工况下的机械性能，能够延长叶片的使用寿命。

4  基于3D打印的燃机叶片熔模铸造

近几年来，3D打印技术迅速发展，广泛地应用于各个制造业领域。3D打印技术作为一种快成型技术，与铸造有很强的契合性。3D打印技术可以与熔模铸造技术相结合。

4.1 3D打印叶片熔模模型

将3D打印叶片熔铸成模型，可以大大地缩短产品设计研发的周期，具体的工艺流程为：设计铸造工艺流程——产品三维造型设计——粘结蜡质浇注系统——制作型壳——脱模型材料———浇注金属液--铸件表面清理——铸件产品质量检测——铸件产品精加工且检测合格后交付用户。

4.2 光固化立体成型叶片熔模模型

光固化立体成型叶片熔模模型是具有一种支撑材料的模型，具有层层固化的功能，第一层固化后，移动到工作台，新固化好的材料模型与前一个模型进行很好的粘合，这种反复的固化成型技术打印中空结构和网状结构的叶片模型，从而满足熔模铸造工艺要求。

5  3D打印技术应用于燃机叶片制造领域的优势

燃气轮机最为关键的零部件就是燃气叶片，它不仅提高了燃气轮机的使用性能，也能够提高其安全性和使用的效率，具有很多的优势。

（1）采用3D打印技术不仅仅可以省去叶片的铸造以及加工等复杂的工艺流程，与传统的制造方式相比还具有很多的优势，它能够极大地节省制造成本以及缩短制造的生产周期。

（2）金属3D打印技术成型燃气轮机叶片方便了对产品生产过程的全效控制，减少了生产过程中很多的不确定因素，由于大多数是机器进行打印，因此也就减少了人为的影响因素，产品的质量与传统的打印技术相比也就更加的精准。

（3）3D打印技术用于熔模铸造方面可以有效的较少不必要的模具制造的时间，缩短产品的研发周期，对于尺寸的精准度有了更高的要求，由于现在市场的需求在不断扩大，因此面对燃机叶片的精准度、使用寿命以及成本和产生的效率等都有着很强的要求，这些高标准严要求必然对先进燃机叶片快速制造领域产生深远影响。

6  结语

现在3D打印对于普通的群众来说还是较为陌生的，但是对于行业来说，却会有大增长的民用领域市场，3D打印已經走入了家庭，同时也更加广泛地应用到了制造业当中，尤其是燃气轮机叶片的制造工艺当中，它具有着很强的优势，能够满足缩短燃气轮机叶片研发周期的需要。但是我国的3D打印技术以及产业距离成熟的阶段还是有很大的距离，因此将3D打印技术与传统的制造技术应该相辅相成，共同进步，只有这样才能促进燃气轮机叶片的快速制造，并且符合市场的需求和发展。

参考文献

[1] 吴镝，刘赛，杨国策，等.风电叶片的3D打印系统性高效制造方法[J].上海第二工业大学学报，2016（1）：37-40.

[2] 张小伟.金属增材制造技术在航空发动机领域的应用[J].航空动力学报，2016（1）：10-16.

[3] 刘树文，傅骏，叶珍珍，等.基于熔融沉积技术的汽轮机叶片熔模铸造生产[J].热加工工艺，2015（23）：248-249.

[4] 鲁中良，周江平，李涤尘，等.基于光固化成形技术的复杂航空零件快速制造方法[J].航空制造技术，2015（Z1）：97-100.

[5] 曾光，韩志宇，梁书锦，等.金属零件3D打印技术的应用研究[J].中国材料进展，2014（6）：376-382.

[6] 鲁中良，周江平，杨东升，等.基于3D打印技术的预研涡轮叶片精铸蜡型快速制造方法[J].航空学报，2015（2）：651-660.

[7] 杜宇雷，孙菲菲，原光，等.3D打印材料的发展现状[J].徐州工程学院学报：自然科学版，2014（1）：20-24.