增材制造革新發(fā)電系統(tǒng)，讓燃?xì)廨啓C(jī)和核電應(yīng)用突破設(shè)計可能性

2022年5月3日，南極熊獲悉，橡樹嶺國家實驗室正在與主要制造商合作，驗證金屬3D打印常規(guī)部件在燃?xì)廨啓C(jī)和核電領(lǐng)域應(yīng)用可行性，這也將為后續(xù)非常規(guī)部件的開發(fā)鋪平道路。

毫無疑問，如果所開發(fā)部件的可行性得以證實，增材制造（AM）將會為發(fā)電系統(tǒng)帶來新的可能性。復(fù)雜的3D打印部件的幾何形狀有望提高電力效率并降低制造成本，但是，當(dāng)涉及到為社區(qū)和工業(yè)設(shè)施提供安全、可靠的電力的各類系統(tǒng)時，AM需要首先證明它在基礎(chǔ)設(shè)施制造中的巨大潛能。

在燃?xì)廨啓C(jī)和核電的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，橡樹嶺國家實驗室的制造示范設(shè)施（MDF）已經(jīng)根據(jù)傳統(tǒng)的制造部件設(shè)計和規(guī)格生產(chǎn)了3D打印部件，因此這些部件可以直接投入到既定用途中的有效性驗證當(dāng)中。同時，AM還可以為零部件帶來更多設(shè)計自由上的可能性。

燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片制造

燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用是與渦輪機(jī)制造商Solar Turbines的合作。MDF在Arcam（GE增材公司）的機(jī)器上通過電子束熔化制造了近300個渦輪葉片，用于在Solar Turbines的測試平臺上進(jìn)行評估。用于發(fā)電的渦輪系統(tǒng)基本上是一個使用熱加壓氣體旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸的大型機(jī)器。渦輪機(jī)內(nèi)部有很多這樣的葉片，可能有數(shù)百個，也許這個尺寸可能更大。如今這些葉片是通過鑄造和機(jī)加工制造的，但通過增材制造制造它們的潛力巨大，這也是增材制造必須證明自己的領(lǐng)域。

渦輪葉片的設(shè)計自有一套傳統(tǒng)的設(shè)計和制造體系，包括既定的材料：Inconel 738。這種合金對3D打印來說是個挑戰(zhàn)，它需要EBM的高溫才能構(gòu)建完成。在 Arcam 電子束熔化工藝中，加熱的粉末床溫度約為 1000 攝氏度，這在激光粉末床工藝中通常不存在。這部分變得重要的原因是計劃中使用的 Inconel 738材料，它類似于用于渦輪葉片的其他鑄造材料，這些鑄造材料非常容易出現(xiàn)缺陷，僅由于從液體冷卻到固體時的熱應(yīng)力而破裂。通過利用這種對熱源、電子束進(jìn)行快速控制的能力，能夠抑制零件中可能發(fā)生的許多不同的熱梯度（這些熱梯度可能會導(dǎo)致開裂），甚至可以將它們消除，以便于加工無缺陷零部件。不過，未來為AM設(shè)計的渦輪機(jī)葉片預(yù)計會衍生出更多不同種類的合金。

△MDF通過EBM制作了數(shù)百個渦輪機(jī)葉片，用于Solar Turbines的3D打印渦輪機(jī)葉片性能測試。

核電應(yīng)用

在核電應(yīng)用方面，橡樹嶺與核電行業(yè)制造商Framatome合作，通過Concept Laser（也是GE Additive）的機(jī)器上的激光粉末床熔融技術(shù)制造了一套316不銹鋼支架。這些支架有助于固定阿拉巴馬州布朗斯費里核電站內(nèi)的一個核燃料組件。它們的評估將在2027年進(jìn)行，在它們運行6年后，支架將被移除并送回橡樹嶺進(jìn)行檢查。

△3D打印不銹鋼支架目前正在一個核反應(yīng)堆中運行，它的設(shè)計并不復(fù)雜，但應(yīng)用前景卻很好。它們將有助于驗證使用AM制造反應(yīng)堆部件的情況。

燃?xì)鉁u輪機(jī)和核電兩個應(yīng)用領(lǐng)域都面臨一個基本的問題：能否保證增材制造生產(chǎn)的金屬部件與傳統(tǒng)生產(chǎn)流程制造的金屬部件一樣可靠和穩(wěn)定？

長期的實踐證明了這種探索是正確的。橡樹嶺研究材料科學(xué)家Mike Kirka參與了渦輪機(jī)葉片的工作。他說，有了AM，渦輪機(jī)制造商將能夠為更有效的冷卻方案開辟新的設(shè)計范式，使發(fā)動機(jī)熱段的渦輪葉片能夠在內(nèi)部冷卻的同時在更熱的工作環(huán)境下運行。這將帶來更多優(yōu)勢，從發(fā)動機(jī)本身的能源效率到潛在的具有更長使用壽命的、更有彈性的部件。

△渦輪葉片

橡樹嶺的沉積學(xué)和技術(shù)組組長Ryan Dehoff一直都在從事核電支架的研究，他說："一個核反應(yīng)堆本質(zhì)上是一個非常大規(guī)模的熱交換器。增材使我們能夠打印非常復(fù)雜的設(shè)計，以實現(xiàn)更有效的熱傳遞。我認(rèn)為，在核工業(yè)里面，增材制造技術(shù)可能會產(chǎn)生非常大的影響。挑戰(zhàn)在于我們必須對部件進(jìn)行認(rèn)證和鑒定。"