增材制造技術(shù)在燃氣輪機研制中的應用研究

來源：國恒工業(yè)云平臺

在燃氣輪機研制階段，需要對零部件設計進行多次改進迭代。為解決傳統(tǒng)加工方式周期長、成本高的問題，將增材制造技術(shù)應用于燃氣輪機研制過程中。借助于金屬3D打印設備，開展了燃氣輪機關(guān)鍵部件增材制造成
型研究；借助于非金屬3D打印機，開展了燃氣輪機模型的成型研究。結(jié)果顯示，增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)具有非常復雜幾何結(jié)構(gòu)的零部件的高效、快速成型，而不必借助額外的工裝。將增材制造技術(shù)應用于燃氣輪機研制過程有助于快速實現(xiàn)產(chǎn)品設計迭代，縮短研發(fā)周期、節(jié)約研制成本、提高產(chǎn)品性能，適應于先進高性能燃氣輪機發(fā)展趨勢。

增材制造是近年來快速發(fā)展的一種數(shù)字制造技術(shù)。根據(jù)美國測試和材料協(xié)會（American Society of Testing Materials，ASTM）標準，增材制造被定義為“一種借助三維模型數(shù)據(jù)制造零件的方法，通常是將材料一層一層地連接起來，而不是通過機械加工的方式”。相比于傳統(tǒng)加工方式，增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)具有非常復雜幾何結(jié)構(gòu)的零部件的高效、快速成型，而不必借助于額外的工裝或工具。另外，采用增材制造技術(shù)可以減少組件數(shù)量、減輕零件質(zhì)量、提高零件強度。在航空領(lǐng)域有些非承力部件有減重的需求，借助增材制造技術(shù)可實現(xiàn)一些具有空間周期性的內(nèi)嵌網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)及其他形式多孔結(jié)構(gòu)的零件的快速成型，而在增材制造技術(shù)出現(xiàn)以前，這類結(jié)構(gòu)是無法被加工出來的。

增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀
在燃氣輪機低排放燃燒室的研制過程中，需要對燃燒室結(jié)構(gòu)方案進行多次改進迭代，而其中一些零部件（如旋流器）結(jié)構(gòu)復雜，采用傳統(tǒng)加工方式只能通過鑄造實現(xiàn)。而鑄造周期長且開模成本高，客觀上影響了低排放燃燒室研制迭代的周期。將增材制造技術(shù)應用于燃氣輪機燃燒室的研制能夠縮短研制周期，加快產(chǎn)品迭代設計進程，節(jié)省研制成本。在低排放燃燒室的研制過程中，由于貧燃預混方案的采用，極易引發(fā)振蕩燃燒現(xiàn)象。為抑制振蕩燃燒，往往采用蜂窩吸聲結(jié)構(gòu)（如圖1）。而類似這種多孔結(jié)構(gòu)，只能采用增材制造技術(shù)加工。

美國通用電氣公司（GeneralElectricCompany，GE）和德國西門子公司針對增材制造技術(shù)在燃氣輪機研制中的應用開展了大量的研究，并取得了相當豐富的研究成果。GE于2016年成立了GEAdditive公司，并開始研制基于增材制造的LEAP發(fā)動機燃油噴嘴（圖2）。采用傳統(tǒng)方式制造的LEAP噴嘴結(jié)構(gòu)復雜，由20多個組件構(gòu)成，每個組件需要單獨加工，最后組裝在一起，生產(chǎn)周期長。采用增材制造技術(shù)后，組件數(shù)量由20多個減少為1個，燃油噴嘴的質(zhì)量較之前減輕25%，噴嘴強度提高5倍，成本節(jié)省30%。截至2021年8月，GE奧本工廠已累計生產(chǎn)3D打印LEAP噴嘴超過10萬件。

GE于2018年試飛的ATP發(fā)動機采用了大量3D打印零件（圖3），涵蓋了機油箱、軸承座、框架、排氣機匣、燃燒室、換熱器和固定流道等部件。將855個傳統(tǒng)加工零件（占總零件數(shù)的35%）替換為12個增材制造零件。這些3D打印零件均采用了拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下使得發(fā)動機質(zhì)量更輕，油耗節(jié)省20%。

西門子SGT-700/800燃燒室前端采用激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）技術(shù)制造后，由原來的13個組件和18個焊接處縮減為1個組件和2個焊接處[9]，交付周期縮短了15%，修復速度提升60%，整套燃燒器的制造速度提升85%。

西門子公司突破了基于增材制造的渦輪導葉和工作葉片的研發(fā)和應用技術(shù)，使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子葉片已經(jīng)通過滿負荷核心機試驗的考核。葉片安裝在西門子公司的SGT-400工業(yè)燃氣輪機上，輸出功率為13MW。試驗中使用的葉片由材料解決方案公司負責生產(chǎn)。該增材制造葉片使用的是多晶鎳超合金粉末，可以經(jīng)受高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速工況下產(chǎn)生的巨大離心力。經(jīng)試驗檢驗，產(chǎn)品的表面粗糙度、精度和材料參數(shù)等對確保部件運行起到關(guān)鍵作用的指標得到驗證。

中國船舶集團有限公司第七零三研究所是我國船用及工業(yè)燃氣輪機研發(fā)基地，其燃氣輪機專業(yè)研究方向已覆蓋研發(fā)設計、成型工藝、軟件開發(fā)、試驗驗證等多個領(lǐng)域，正嘗試將增材制造技術(shù)逐步應用于船用及工業(yè)燃氣輪機關(guān)鍵部件的研發(fā)設計與加工制造。目前在用燃氣輪機研制過程中重點開展了金屬材料增材制造領(lǐng)域中的SLM技術(shù)和非金屬材料領(lǐng)域中的熔融沉積（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）技術(shù)研究，并取得了較為豐富的研究成果。

增材制造技術(shù)研究方法
2.1金屬增材制造流程
SLM是金屬增材制造技術(shù)中最常見的一種形式。其主要步驟如下。

1）前處理：首先設計打印零件的CAD數(shù)字模型，將CAD模型轉(zhuǎn)化為STL文件，借助Magics或其他同類軟件將STL文件切片處理輸出SLI切片文件，隨后將SLI文件導入打印機。

2）成型：成型過程如圖4所示。首先在打印機成型艙內(nèi)成型平臺上鋪一層很薄（通常為0.04mm左右）的金屬粉末，鋪粉完畢后，高能量密度的激光束會根據(jù)導入的模型信息熔化選定區(qū)域內(nèi)的金屬粉末。為保護金屬在熔化過程中不被氧化，成型艙內(nèi)要被充入高純度的保護性氣體（氬氣或氮氣）。該層激光掃描完成后，成型平臺下降一個層厚，鋪上新一層粉末，開始下一輪激光掃描。該過程將被不斷重復，直至整個零件被成型出來。

3）后處理：成型后的零件一般需要進行后處理，主要流程包括粉末清理、固溶熱處理、線切割、支撐去除、表面質(zhì)量改善、零件尺寸檢驗和無損檢驗（熒光檢驗、X射線檢驗等）。根據(jù)材料特性和零件類型，工藝路線可調(diào)整。

由于生產(chǎn)過程中的剩余金屬粉末可回收再利用，SLM技術(shù)相比于傳統(tǒng)加工方式可大幅節(jié)省原材料的消耗。本文重點采用了SLM技術(shù)開展了燃氣輪機燃燒室零部件的設計、加工及試驗驗證。

2.2非金屬增材制造流程
FDM技術(shù)的成型過程如圖5，原理是將絲狀的熱塑性材料（通常為ABS、PLA），通過帶加熱的噴頭加熱熔化，噴頭在計算機的控制下，移動到成型區(qū)域的指定位置，將熔融狀態(tài)的材料鋪覆在上一層已凝固的材料上，這樣的過程不斷重復，直到整個零件被打印出來。

本文采用基于FDM技術(shù)的非金屬材料增材制造技術(shù)，實現(xiàn)了燃燒室零部件的打印成型。

金屬材料選區(qū)熔化技術(shù)應用實例
3.1旋流器增材制造研究
燃燒室旋流器若采用鑄造方式生產(chǎn)，生產(chǎn)周期長達5個月且開模成本很高，在研發(fā)設計設計段，需要反復改進設計，導致研發(fā)成本高、研發(fā)周期長。為縮短研發(fā)設計周期，采用SLM增材制造技術(shù)進行旋流器成型。

旋流器增材制造研制流程為：旋流器增材制造結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計—金屬粉末材料選取—SLM增材制造工藝參數(shù)調(diào)試—產(chǎn)品成型—后處理及相關(guān)檢驗—產(chǎn)品性能試驗驗證。

為了適應SLM技術(shù)成型的要求，對原有旋流器結(jié)構(gòu)進行了適應性調(diào)整：將旋流器外部結(jié)構(gòu)（圖6）優(yōu)化為支撐最小化菱形結(jié)構(gòu)。在不影響產(chǎn)品性能的前提下，提高成型的成功率。考慮到燃燒室部件屬于高溫部件，采用鎳基高溫合金GH3536作為成型材料，可耐溫950℃。采用SLM技術(shù)成型的旋流器通過了關(guān)鍵尺寸檢驗、熒光檢驗，并通過了旋流器流量試驗測試。最終，基于SLM技術(shù)成型的旋流器（圖7）將生產(chǎn)周期壓縮到2個月以內(nèi)，節(jié)約了生產(chǎn)成本，縮短了設計迭代周期。

3.2混合器增材制造研究

火焰筒混合器結(jié)構(gòu)復雜，包含多個冷卻環(huán)帶結(jié)構(gòu)，還有非均勻布置的氣膜冷卻孔，如圖8所示。若采用鑄造方式生產(chǎn)，因零件壁厚較�。�約2mm），液態(tài)金屬流動性差，不能一體成型，否則會產(chǎn)生大量的疏松、裂紋等缺陷，只能分段鑄造，需要開設多個模具，鑄造成功率較低，制造成本非常高。為解決這一問題，研發(fā)借助SLM技術(shù)制造混合器。為滿足更高的耐溫要求，打印材料采用GH5188（耐溫1000℃)。

研究中開展了混合器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，在不影響產(chǎn)品使用性能的前提下，對局部結(jié)構(gòu)進行微調(diào)，顯著提高了3D打印成型成功率；通過恰當?shù)臄[放實現(xiàn)了無支撐方案成型。整個混合器采用增材制造一體成型，減少了焊縫，有效降低了由焊接帶來的變形�；旌掀髟霾闹圃鞂嵨锶鐖D9所示。

基于SLM制造的某型火焰筒尾部，通過了三維尺寸掃描、熒光檢測。該技術(shù)解決了復雜薄壁零件采用傳統(tǒng)加工方式制造困難的問題，并節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了研發(fā)設計迭代速度。

3.3火焰筒分段成型增材制造研究
傳統(tǒng)火焰筒筒身示意如圖10所示，傳統(tǒng)火焰筒筒身采用一定數(shù)量的錐筒及混合器、嵌入件、冷卻環(huán)、座圈等拼接焊接而成�；旌掀鞑捎帽“宀臎_壓制成；嵌入件、冷卻環(huán)、座圈則采用鑄造成型，鑄造需要開模，周期長、成本高，且鑄造成功率較低；錐筒使用薄板母材滾壓成型后焊接成錐筒形狀，組裝焊接前需要保證每個錐筒的尺寸精度，且錐筒為薄壁件，所以對焊接工藝要求極高；每個錐筒上分布有60~120個氣膜冷卻孔，需要通過電火花打孔成型。這些工藝導致用傳統(tǒng)加工方式生產(chǎn)火焰筒工序繁多、生產(chǎn)周期長。

在低排放燃燒室的研制過程中，設計階段需要對火焰筒的主燃孔、摻混孔以及冷卻孔的大小、位置、分布方式進行多次調(diào)整，以達到更優(yōu)越的性能，提高火焰筒的生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期。為解決這一問題，開展SLM技術(shù)在火焰筒生產(chǎn)的實例研究（圖11），打印材料為GH3128。

在基于SLM成型的一體化火焰筒結(jié)構(gòu)設計中，將原有通過焊接相連的錐筒合并為一個整體，大幅減少了焊接工序；3D打印成型實現(xiàn)了主燃孔、摻混孔及氣膜冷卻孔的直接成型，節(jié)省了電火花打孔工序。如采用傳統(tǒng)的加工方式，火焰筒包含30多個零組件，生產(chǎn)周期長達8個月；采用增材制造技術(shù)后，零部件數(shù)量縮減至13個，生產(chǎn)周期可縮短至3個月。

3.4旋流噴嘴增材制造研究
燃燒室旋流噴嘴結(jié)構(gòu)非常復雜，旋流葉片由復雜曲面構(gòu)成，葉片內(nèi)部含有流道內(nèi)腔。采用傳統(tǒng)加工方式制造，需要采用鑄造和機械加工相結(jié)合的方式，在少量生產(chǎn)的情況下成本高。為解決這一問題，研究采用SLM技術(shù)生產(chǎn)旋流噴嘴（圖12），為滿足耐溫需求，打印材料為GH5188。

為提高成型成功率，減少支撐數(shù)量，采用了將旋流噴嘴葉輪、外筒、燃料桿分別成型，然后焊接的方式加工。打印件通過了三維尺寸掃描、熒光檢測，將旋流噴嘴的加工周期縮短50%以上。

3.5渦輪葉片增材制造研究
燃氣輪機渦輪導葉內(nèi)部有非常復雜的冷卻通道（圖13），若采用鑄造方式成型，成本高、生產(chǎn)周期長、成功率低。為解決這一問題，研究采用SLM技術(shù)直接成型，材料為GH3625。

在研究過程中，為提高成型成功率，多次對渦輪葉片的擺放角度進行調(diào)整；為提升表面粗糙度，對葉片表面進行了噴砂處理。零件通過了外形尺寸的檢測，滿足設計要求。通過增材制造成型的渦輪葉片如圖14所示。

非金屬材料熔融沉積技術(shù)應用實例
基于非金屬材料的FDM技術(shù)常用于展示教學模型、鑄造模具的快速成型。在燃氣輪機研發(fā)過程中，可用于打印方案設計模型，便于觀察復雜零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、分析裝配關(guān)系等。

基于非金屬材料的FDM技術(shù)，對某型號火焰筒進行了改進設計，并打印了火焰筒1/4剖切模型，如圖15所示。該火焰筒模型主體部分為一體化打印成型，旋流器、座圈、定位器單獨打印并粘接在主體部分上。該模型可用于火焰筒結(jié)構(gòu)展示使用，能夠非常直觀地看到火焰筒的結(jié)構(gòu)細節(jié)。

在開展某型燃氣噴嘴增材制造適應性改進設計過程中，將FDM技術(shù)應用于方案模型的打印中（圖16）。為便于觀察噴嘴內(nèi)部流道詳細結(jié)構(gòu)，打印模型為2個半剖模型，可通過銷釘組合在一起。

基于FDM技術(shù)開展了某型燃氣輪機展示模型的設計及打印工作，如圖17所示，對真實尺寸燃氣輪機按比例縮放，并對一些結(jié)構(gòu)細節(jié)進行簡化。模型整體由2000多個零部件組成，總質(zhì)量約18kg。此外，還打印了某型燃氣輪機動力渦輪的展示模型如圖18所示，模型轉(zhuǎn)子部分可在電機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)。

結(jié)論
本文依托中國船舶集團有限公司第七零三研究所在船用及工業(yè)燃氣輪機領(lǐng)域的研發(fā)基礎(chǔ)，嘗試將增材制造技術(shù)運用到燃氣輪機部件的制造中。基于金屬材料的SLM技術(shù)，成功實現(xiàn)了旋流器、火焰筒尾部、火焰筒、旋流噴嘴等零部件的成型；基于非金屬材料的FDM技術(shù)，成功實現(xiàn)了火焰筒、燃氣噴嘴、燃氣輪機整機及動力渦輪模型的成型。在研究過程中，研發(fā)團隊結(jié)合自身專業(yè)優(yōu)勢，將增材制造思想融入部件結(jié)構(gòu)設計中，使得改進后的零部件既能滿足其功能性要求，又能提高打印成型的成功率，燃燒室部件生產(chǎn)周期得到顯著縮短，提升了研發(fā)設計效率。在研究過程中形成了一定的技術(shù)積累，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

另外，在研究過程中發(fā)現(xiàn)，增材制造技術(shù)并不適用于所有類型的零件。包含大量實體部分的零件，在基于SLM技術(shù)成型過程中，由于燒結(jié)橫截面過大，導致熱量積累，散熱困難，會引起零件成型過程中變形翹曲，導致成型失敗。此類問題有待于進一步解決。

燃氣輪機設計制造領(lǐng)域是設計密集型產(chǎn)業(yè)，無論是前期的設計過程，還是后期的維修保養(yǎng)過程，都涉及到復雜結(jié)構(gòu)非標準零件的快速成型。未來增材制造技術(shù)與燃氣輪機設計的相互融合有助于兩者的協(xié)同發(fā)展。結(jié)合全球主要的燃氣輪機制造商（美國GE、德國西門子、日本三菱）對增材制造技術(shù)在燃氣輪機燃燒室部件研發(fā)生產(chǎn)中的應用情況，預計增材制造技術(shù)在燃氣輪機燃燒室的未來應用研究重點包括：1）燃氣輪機熱端部件的維修、備件按需打��；2）增材制造思想與燃燒室部件設計思想的深度融合；3）探索更多新型高溫合金材料的增材制造應用；4）更大尺寸燃燒室部件的快速、高效成型。