增材制造革新發(fā)電系統(tǒng)，讓燃氣輪機和核電應用突破設計可能性

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)部件在燃氣輪機和核電領域應用可行性，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，當涉及到為社區(qū)和工業(yè)設施提供安全、可靠的電力的各類系統(tǒng)時，AM需要首先證明它在基礎設施制造中的巨大潛能。

在燃氣輪機和核電的應用領域內，橡樹嶺國家實驗室的制造示范設施（MDF）已經(jīng)根據(jù)傳統(tǒng)的制造部件設計和規(guī)格生產了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中。同時，AM還可以為零部件帶來更多設計自由上的可能性。

燃氣輪機的渦輪葉片制造

燃氣輪機的應用是與渦輪機制造商Solar Turbines的合作。MDF在Arcam（GE增材公司）的機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旋轉軸的大型機器。渦輪機內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域。

渦輪葉片的設計自有一套傳統(tǒng)的設計和制造體系，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力而破裂。通過利用這種對熱源、電子束進行快速控制的能力，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設計的渦輪機葉片預計會衍生出更多不同種類的合金。

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

核電應用

在核電應用方面，橡樹嶺與核電行業(yè)制造商Framatome合作，通過Concept Laser（也是GE Additive）的機器上的激光粉末床熔融技術制造了一套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的一個核燃料組件。它們的評估將在2027年進行，在它們運行6年后，支架將被移除并送回橡樹嶺進行檢查。

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

燃氣渦輪機和核電兩個應用領域都面臨一個基本的問題：能否保證增材制造生產的金屬部件與傳統(tǒng)生產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家Mike Kirka參與了渦輪機葉片的工作。他說，有了AM，渦輪機制造商將能夠為更有效的冷卻方案開辟新的設計范式，使發(fā)動機熱段的渦輪葉片能夠在內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

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