西门子牵头，ORNL首次3D打印大型金属汽轮机叶片

2023年12月，美国能源部旗下橡树岭国家实验室（ORNL）的研究团队取得了重大突破，成为全球首个采用3D打印技术生产用于发电厂大型旋转蒸汽涡轮叶片的团队。

△WAAM 3D打印技术

该项目由西门子技术公司（西门子在美国的研发中心）牵头，展示了电弧增材制造（WAAM）技术在生产超过25磅重关键部件方面的可行性。这些部件传统上依赖于铸造和锻造设备制造，而这些设备的生产大多已转移到美国国外。

ORNL沉积科学与技术小组的首席研究员兼组长Michael Kirka指出：“我们现在意识到，国内供应链难以提供超过100或200磅的小批量铸件和锻件。这使我们面临困境，尤其是在看到国际冲突如何影响关键物资国际流动的情况下。”

WAAM技术在机械臂的控制下，通过电弧熔化金属丝，将金属层层堆积成所需形状。打印完成后，零件将进行精密机加工，以确保满足最终设计的精确要求。用于制造涡轮叶片的这项线弧技术，是根据与林肯电气公司的合作研发协议共同开发的。

能源与WAAM技术

电弧增材制造技术基于成熟的焊接工艺，这使得它特别适合修复现有零件。这一优势让西门子能源公司等企业，能够更便捷地根据与电力公司的服务合同进行设备的维护和升级。

西门子自2019年开始研究电弧增材制造时，主要集中在部件的修复上。然而，随着COVID-19大流行的影响，新铸造的蒸汽涡轮叶片的交货期延长至两年，项目的研究范围随之扩展。Kirka指出，项目进一步发展到包括打印完整的替换零件，因为这类涡轮机广泛应用于天然气、煤炭和核能发电站。

橡树岭国家实验室的研究人员对材料进行了深入研究，并开发出了更精确的方法来评估打印部件的机械性能。由钢合金制成的大型蒸汽涡轮叶片便是这些研究努力的成果。

西门子技术的高级首席专家Anand Kulkarni表示：“最初的计划是仅打印叶片顶部的25%。但是，当我们意识到橡树岭国家实验室的电弧打印设备的潜力时，我们相信能够一次性完成整个叶片的构建。在制造过程中对零件进行扫描，为我们提供了精确的数据，这些数据对我们的加工人员至关重要，有助于我们缩短生产周期。”

△采用WAAM 3D打印技术一次性构建的涡轮机叶片

二周内完成大型涡轮叶片制造

尽管大型铸件和锻件的交货时间已缩短至七至八个月，但橡树岭国家实验室能够在短短12小时内完成叶片的3D打印。据悉，包括机械加工在内，整个叶片的制作可以在两周之内完成。南极熊相信，随着该技术的迭代更新，制造时间可以进一步缩减。

Kirka指出，虽然线弧增材制造是一种知名的3D打印技术，但此前从未用于生产如此大型的旋转部件。涡轮叶片通常没有平行或垂直的表面，它们的外形曲线朝着尖端逐渐变窄。他说：“打印和完成没有定位特征的部件是一项挑战。”此外，这种尺寸的重型部件冷却速度更慢，这增加了沉积层速度和顺序的敏感性。

在零件加工完成后，西门子与电力研究院合作进行了无损检测和测试。“我们仍在研究材料属性，看看与传统制造方法相比结果如何，”Kirka表示。然而，对于维修而言，属性并非必须完全相同：当前的挑战是保持发动机的运行并避免停机。“如果零件质量上乘，它将为更广泛的按需制造开辟道路，而这项案例研究已经为大型部件的生产敞开了大门。”

这项技术的成功应用，不仅提高了关键能源部件的制造效率和灵活性，也为3D打印技术在能源行业中的进一步应用奠定了基础。