西門子牽頭，ORNL首次3D打印大型金屬汽輪機(jī)葉片

2023年12月17日，南極熊獲悉，美國(guó)能源部旗下橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的研究團(tuán)隊(duì)取得了重大突破，成為全球首個(gè)采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)用于發(fā)電廠大型旋轉(zhuǎn)蒸汽渦輪葉片的團(tuán)隊(duì)。

△WAAM 3D打印技術(shù)

該項(xiàng)目由西門子技術(shù)公司（西門子在美國(guó)的研發(fā)中心）牽頭，展示了電弧增材制造（WAAM）技術(shù)在生產(chǎn)超過(guò)25磅重關(guān)鍵部件方面的可行性。這些部件傳統(tǒng)上依賴于鑄造和鍛造設(shè)備制造，而這些設(shè)備的生產(chǎn)大多已轉(zhuǎn)移到美國(guó)國(guó)外。

ORNL沉積科學(xué)與技術(shù)小組的首席研究員兼組長(zhǎng)Michael Kirka指出：“我們現(xiàn)在意識(shí)到，國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈難以提供超過(guò)100或200磅的小批量鑄件和鍛件。這使我們面臨困境，尤其是在看到國(guó)際沖突如何影響關(guān)鍵物資國(guó)際流動(dòng)的情況下?！?br />
WAAM技術(shù)在機(jī)械臂的控制下，通過(guò)電弧熔化金屬絲，將金屬層層堆積成所需形狀。打印完成后，零件將進(jìn)行精密機(jī)加工，以確保滿足最終設(shè)計(jì)的精確要求。用于制造渦輪葉片的這項(xiàng)線弧技術(shù)，是根據(jù)與林肯電氣公司的合作研發(fā)協(xié)議共同開(kāi)發(fā)的。

能源與WAAM技術(shù)

電弧增材制造技術(shù)基于成熟的焊接工藝，這使得它特別適合修復(fù)現(xiàn)有零件。這一優(yōu)勢(shì)讓西門子能源公司等企業(yè)，能夠更便捷地根據(jù)與電力公司的服務(wù)合同進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)和升級(jí)。

西門子自2019年開(kāi)始研究電弧增材制造時(shí)，主要集中在部件的修復(fù)上。然而，隨著COVID-19大流行的影響，新鑄造的蒸汽渦輪葉片的交貨期延長(zhǎng)至兩年，項(xiàng)目的研究范圍隨之?dāng)U展。Kirka指出，項(xiàng)目進(jìn)一步發(fā)展到包括打印完整的替換零件，因?yàn)檫@類渦輪機(jī)廣泛應(yīng)用于天然氣、煤炭和核能發(fā)電站。

橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員對(duì)材料進(jìn)行了深入研究，并開(kāi)發(fā)出了更精確的方法來(lái)評(píng)估打印部件的機(jī)械性能。由鋼合金制成的大型蒸汽渦輪葉片便是這些研究努力的成果。

西門子技術(shù)的高級(jí)首席專家Anand Kulkarni表示：“最初的計(jì)劃是僅打印葉片頂部的25%。但是，當(dāng)我們意識(shí)到橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的電弧打印設(shè)備的潛力時(shí)，我們相信能夠一次性完成整個(gè)葉片的構(gòu)建。在制造過(guò)程中對(duì)零件進(jìn)行掃描，為我們提供了精確的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)我們的加工人員至關(guān)重要，有助于我們縮短生產(chǎn)周期。”

△采用WAAM 3D打印技術(shù)一次性構(gòu)建的渦輪機(jī)葉片

二周內(nèi)完成大型渦輪葉片制造

盡管大型鑄件和鍛件的交貨時(shí)間已縮短至七至八個(gè)月，但橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能夠在短短12小時(shí)內(nèi)完成葉片的3D打印。據(jù)悉，包括機(jī)械加工在內(nèi)，整個(gè)葉片的制作可以在兩周之內(nèi)完成。南極熊相信，隨著該技術(shù)的迭代更新，制造時(shí)間可以進(jìn)一步縮減。

Kirka指出，雖然線弧增材制造是一種知名的3D打印技術(shù)，但此前從未用于生產(chǎn)如此大型的旋轉(zhuǎn)部件。渦輪葉片通常沒(méi)有平行或垂直的表面，它們的外形曲線朝著尖端逐漸變窄。他說(shuō)：“打印和完成沒(méi)有定位特征的部件是一項(xiàng)挑戰(zhàn)?！贝送猓@種尺寸的重型部件冷卻速度更慢，這增加了沉積層速度和順序的敏感性。

在零件加工完成后，西門子與電力研究院合作進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)和測(cè)試?！拔覀?nèi)栽谘芯坎牧蠈傩?，看看與傳統(tǒng)制造方法相比結(jié)果如何，”Kirka表示。然而，對(duì)于維修而言，屬性并非必須完全相同：當(dāng)前的挑戰(zhàn)是保持發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行并避免停機(jī)。“如果零件質(zhì)量上乘，它將為更廣泛的按需制造開(kāi)辟道路，而這項(xiàng)案例研究已經(jīng)為大型部件的生產(chǎn)敞開(kāi)了大門?！?br />
這項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用，不僅提高了關(guān)鍵能源部件的制造效率和靈活性，也為3D打印技術(shù)在能源行業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。