美国橡树岭国家实验室丨电弧增材制造大型金属蒸汽轮机转子叶片

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文章摘要

美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员与西门子技术公司合作，首次成功使用电弧增材制造（WAAM）技术3D打印出大型旋转蒸汽涡轮叶片。这项技术证明了在生产超过25磅关键部件方面的可扩展性和可行性，这些部件通常通过铸造和锻造制造。WAAM技术使用电弧熔化金属丝，通过机械臂控制逐层堆积金属，最终形成所需形状的零件。这种技术不仅能够加快生产速度，还能够在不依赖特定制造工具的情况下复制任何设计，为大型部件的按需制造提供了更可靠的替代方案。研究成果在能源部的制造示范设施（MDF）中展示，MDF旨在促进美国制造业的创新和转型。

正文

美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员首次实现了用于发电厂发电的大型旋转蒸汽涡轮叶片的3D打印。在合作伙伴西门子技术公司（西门子股份公司在美国的研发中心）的领导下，该项目证明了电弧增材制造（WAAM）在可扩展地生产超过 25 磅的关键部件方面是可行的。这些部件传统上使用铸造和锻造设备制造。

“现在人们意识到，我们无法从国内供应链中获得超过 100 或 200 磅的小批量铸件和锻件，” ORNL沉积科学与技术组首席研究员兼组长 Michael Kirka 说。“这让我们陷入了难以为继的境地，尤其是当我们看到国际冲突如何影响关键物资的国际流动时。”

WAAM 使用电弧熔化金属丝，整个过程由机械臂控制。薄薄的金属层逐渐堆积成所需的形状，打印完成后，对零件进行加工，以满足最终设计要求。用于制造涡轮叶片的电弧技术是根据合作研发协议与林肯电气公司共同开发的。

电弧制造以焊接技术为基础，因此很容易用于维修现有部件。这可以让像西门子能源（西门子的姊妹公司，也是该项目的合作伙伴）这样的公司，根据与电力公司签订的服务合同，更轻松地维护和升级设备。

西门子的电弧研究于 2019 年开始，当时的重点是零部件维修。然而，在 COVID-19 大流行期间，研究范围扩大了，当时等待新铸造蒸汽轮机叶片的时间延长到了两年。随后，该项目扩大到包括打印整个更换部件，因为这些类型的涡轮发动机用途广泛，可用于燃气、煤炭和核电站。

ORNL 的研究人员对材料进行了试验，并开发了更好的方法来评估打印部件的机械性能。由合金钢制成的大型蒸汽轮机叶片就是这些努力的结晶。

西门子技术公司高级首席关键专家Anand Kulkarni说：“最初的意图只是打印叶片顶部 25% 的部分。但是，当我们看到 ORNL 的电弧设置的潜力时，我们认为可以在一次构建中完成整个叶片。在制造过程中扫描零件的功能为我们提供了正确的信息，这些信息可以反馈给我们的加工人员，使我们能够缩短生产时间。”

虽然大型铸件和锻件的等待时间已经缩短到七八个月，但 ORNL 能够在 12 小时内打印出刀片。据报道，包括机加工在内，一个叶片可在两周内完成。

虽然电弧是一种著名的3D打印技术，但据Kirka 称，此前还没有人使用它来制造如此大规模的旋转部件。涡轮叶片通常没有平行或垂直的表面，它们的轮廓曲线向尖端收窄。他说：“能够打印并完成没有定位特征的部件是一项挑战。此外，这种尺寸的重型零件冷却速度更慢，这就增加了对沉积层的速度和顺序的敏感性。”

零件加工完成后，西门子与电力研究所合作进行无损评估和测试。Kulkarni说：“我们仍在研究性能方面的问题，看看结果与传统方法相比如何。然而，对于维修而言，性能并不一定要完全相同：目前的挑战只是保持发动机运转，避免停机。但是，如果零件的质量很好，那就为更多的按需制造打开了大门，而这项案例研究则为大型部件打开了大门。”