西門子牽頭，ORNL首次3D打印大型金屬汽輪機葉片

2023年12月17日，南極熊獲悉，美國能源部旗下橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的研究團隊取得了重大突破，成為全球首個采用3D打印技術生產用于發(fā)電廠大型旋轉蒸汽渦輪葉片的團隊。

△WAAM 3D打印技術

該項目由西門子技術公司（西門子在美國的研發(fā)中心）牽頭，展示了電弧增材制造（WAAM）技術在生產超過25磅重關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備制造，而這些設備的生產大多已轉移到美國國外。

ORNL沉積科學與技術小組的首席研究員兼組長Michael Kirka指出：“我們現(xiàn)在意識到，國內供應鏈難以提供超過100或200磅的小批量鑄件和鍛件。這使我們面臨困境，尤其是在看到國際沖突如何影響關鍵物資國際流動的情況下�！�

WAAM技術在機械臂的控制下，通過電弧熔化金屬絲，將金屬層層堆積成所需形狀。打印完成后，零件將進行精密機加工，以確保滿足最終設計的精確要求。用于制造渦輪葉片的這項線弧技術，是根據與林肯電氣公司的合作研發(fā)協(xié)議共同開發(fā)的。

能源與WAAM技術

電弧增材制造技術基于成熟的焊接工藝，這使得它特別適合修復現(xiàn)有零件。這一優(yōu)勢讓西門子能源公司等企業(yè)，能夠更便捷地根據與電力公司的服務合同進行設備的維護和升級。

西門子自2019年開始研究電弧增材制造時，主要集中在部件的修復上。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至兩年，項目的研究范圍隨之擴展。Kirka指出，項目進一步發(fā)展到包括打印完整的替換零件，因為這類渦輪機廣泛應用于天然氣、煤炭和核能發(fā)電站。

橡樹嶺國家實驗室的研究人員對材料進行了深入研究，并開發(fā)出了更精確的方法來評估打印部件的機械性能。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。

西門子技術的高級首席專家Anand Kulkarni表示：“最初的計劃是僅打印葉片頂部的25%。但是，當我們意識到橡樹嶺國家實驗室的電弧打印設備的潛力時，我們相信能夠一次性完成整個葉片的構建。在制造過程中對零件進行掃描，為我們提供了精確的數據，這些數據對我們的加工人員至關重要，有助于我們縮短生產周期�！�

△采用WAAM 3D打印技術一次性構建的渦輪機葉片

二周內完成大型渦輪葉片制造

盡管大型鑄件和鍛件的交貨時間已縮短至七至八個月，但橡樹嶺國家實驗室能夠在短短12小時內完成葉片的3D打印。據悉，包括機械加工在內，整個葉片的制作可以在兩周之內完成。南極熊相信，隨著該技術的迭代更新，制造時間可以進一步縮減。

Kirka指出，雖然線弧增材制造是一種知名的3D打印技術，但此前從未用于生產如此大型的旋轉部件。渦輪葉片通常沒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：“打印和完成沒有定位特征的部件是一項挑戰(zhàn)�！贝送�，這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行了無損檢測和測試�！拔覀內栽谘芯坎牧蠈傩�，看看與傳統(tǒng)制造方法相比結果如何，”Kirka表示。然而，對于維修而言，屬性并非必須完全相同：當前的挑戰(zhàn)是保持發(fā)動機的運行并避免停機。“如果零件質量上乘，它將為更廣泛的按需制造開辟道路，而這項案例研究已經為大型部件的生產敞開了大門�！�

這項技術的成功應用，不僅提高了關鍵能源部件的制造效率和靈活性，也為3D打印技術在能源行業(yè)中的進一步應用奠定了基礎。