燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机的应用主要分为两大类，一类是以劳斯莱斯、普惠、GE为代表的航空发动机公司用航空发动机改型而形成的轻型燃气轮机，主要用于工业和轮船；一类是以西门子、ABB、GE公司为代表，遵循传统的蒸汽轮机理念发展起来的工业重型燃气轮机，主要用于机械驱动和大型电站。
燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气涡轮等部分组成。燃烧室和涡轮不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的寿命，这两大部件中工作条件最差的零件，例如叶片，是使用高温材料制造的。不仅如此，还需要为叶片等零部件设计冷却结构，从而保证它的使用寿命。带冷却结构的叶片对制造技术提出巨大挑战。西门子公司与德国Fraunhofer 激光技术研究所合作，使用SLM 3D打印技术优化了复杂的燃气轮机涡轮叶片的制造工艺。本期，3D科学谷就与谷友一起分享这个案例。
模块化的设计和制造
西门子公司在德国柏林附近建立了清洁能源中心，这里是燃气轮机进行测试的试验场，燃气轮机在这里将经过超过1500°C 的高温测试。测试的目的是优化燃气轮机的燃烧过程，从而达到更好的能源利用效率。
但是由于燃气轮机的叶轮是使用高温合金精密铸造而成的，叶轮的制造周期长达数月之久，并且花费不菲，从而导致燃气轮机产品的测试周期过长。为了改善这一状况，西门子与德国Fraunhofer激光技术研究所合作，通过选择性激光熔化（SLM） 3D打印技术优化燃气轮机叶片的制造工艺，实现快速制造。
图片来源：Siemens
我们已经了解到，在燃气轮机运行时涡轮叶片将处在一种高温环境中。涡轮机中的导向叶片将使热气流通到移动转子叶片中。导向叶片包括两个平台和一个带复杂冷却结构的翼型件。带冷却结构的翼型件对制造提出了巨大挑战。
模块化制造导向叶片中的部件，材料：Inconel® 718
图片来源：Fraunhofer ILT
SLM 3D打印技术虽然相比传统工艺更适合承担复杂零部件的制造，但是进行3D打印时需要添加内部的支撑结构。支撑结构的存在为打印之后的后续处理工作增加了难度。为了尽量在3D打印时减少支撑构，Fraunhofer激光技术研究所 采用了模块化的叶片设计思路，将叶片的两个部分分别进行3D打印，完成之后再进行焊接。
完成焊接的导向叶片
图片来源：Fraunhofer ILT
经激光技术研究所改进后的工艺链完成了带复杂冷却结构的叶片制造任务，并且提高了表面质量。西门子公司在导向叶片完成3D打印之后进行了精密测量、精加工以及高温焊接工作。在双方合作下制造的功能性叶片经过了大量的测试，设计工程师在测试中获得了大量数据。
涡轮机叶片模块化设计和制造思路为其他复杂零部件的制造提供了可借鉴的经验，也为连接精密铸造的零部件与SLM 3D打印的零部件提供了可能性。同时，对于目前金属3D打印设备无法完成的大型复杂零部件，也可以从模块化设计和制造的思路中得到一定启示。
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