在燃氣輪機研制階段，需要對零部件設計進行多次改進迭代。為解決傳統加工方式周期長、成本高的問題，將增材制造技術應用于燃氣輪機研制過程中。借助于金屬3D打印設備，開展了燃氣輪機關鍵部件增材制造成型研究；借助于非金屬3D打印機，開展了燃氣輪機模型的成型研究。結果顯示，增材制造技術能夠實現具有非常復雜幾何結構的零部件的高效、快速成型，而不必借助額外的工裝。將增材制造技術應用于燃氣輪機研制過程有助于快速實現產品設計迭代，縮短研發周期、節約研制成本、提高產品性能，適應于先進高性能燃氣輪機發展趨勢。
     增材制造是近年來快速發展的一種數字制造技術。根據美國測試和材料協會（American Society of Testing Materials，ASTM）標準，增材制造被定義為“一種借助三維模型數據制造零件的方法，通常是將材料一層一層地連接起來，而不是通過機械加工的方式”。相比于傳統加工方式，增材制造技術能夠實現具有非常復雜幾何結構的零部件的高效、快速成型，而不必借助于額外的工裝或工具。另外，采用增材制造技術可以減少組件數量、減輕零件質量、提高零件強度。在航空領域有些非承力部件有減重的需求，借助增材制造技術可實現一些具有空間周期性的內嵌網格結構、蜂窩結構及其他形式多孔結構的零件的快速成型，而在增材制造技術出現以前，這類結構是無法被加工出來的。
增材制造技術研究現狀
       在燃氣輪機低排放燃燒室的研制過程中，需要對燃燒室結構方案進行多次改進迭代，而其中一些零部件（如旋流器）結構復雜，采用傳統加工方式只能通過鑄造實現。而鑄造周期長且開模成本高，客觀上影響了低排放燃燒室研制迭代的周期。將增材制造技術應用于燃氣輪機燃燒室的研制能夠縮短研制周期，加快產品迭代設計進程，節省研制成本。在低排放燃燒室的研制過程中，由于貧燃預混方案的采用，極易引發振蕩燃燒現象。為抑制振蕩燃燒，往往采用蜂窩吸聲結構（如圖1）。而類似這種多孔結構，只能采用增材制造技術加工。

美國通用電氣公司（GeneralElectricCompany，GE）和德國西門子公司針對增材制造技術在燃氣輪機研制中的應用開展了大量的研究，并取得了相當豐富的研究成果。GE于2016年成立了GEAdditive公司，并開始研制基于增材制造的LEAP發動機燃油噴嘴（圖2）。采用傳統方式制造的LEAP噴嘴結構復雜，由20多個組件構成，每個組件需要單獨加工，最后組裝在一起，生產周期長。采用增材制造技術后，組件數量由20多個減少為1個，燃油噴嘴的質量較之前減輕25%，噴嘴強度提高5倍，成本節省30%。截至2021年8月，GE奧本工廠已累計生產3D打印LEAP噴嘴超過10萬件。
 

GE于2018年試飛的ATP發動機采用了大量3D打印零件（圖3），涵蓋了機油箱、軸承座、框架、排氣機匣、燃燒室、換熱器和固定流道等部件。將855個傳統加工零件（占總零件數的35%）替換為12個增材制造零件。這些3D打印零件均采用了拓撲優化結構，在保證結構強度的前提下使得發動機質量更輕，油耗節省20%。
 

西門子SGT-700/800燃燒室前端采用激光選區熔化（selective laser melting，SLM）技術制造后，由原來的13個組件和18個焊接處縮減為1個組件和2個焊接處[9]，交付周期縮短了15%，修復速度提升60%，整套燃燒器的制造速度提升85%。

西門子公司突破了基于增材制造的渦輪導葉和工作葉片的研發和應用技術，使用增材制造技術生產的轉子葉片已經通過滿負荷核心機試驗的考核。葉片安裝在西門子公司的SGT-400工業燃氣輪機上，輸出功率為13MW。試驗中使用的葉片由材料解決方案公司負責生產。該增材制造葉片使用的是多晶鎳超合金粉末，可以經受高溫、高壓和高轉速工況下產生的巨大離心力。經試驗檢驗，產品的表面粗糙度、精度和材料參數等對確保部件運行起到關鍵作用的指標得到驗證。

中國船舶集團有限公司第七零三研究所是我國船用及工業燃氣輪機研發基地，其燃氣輪機專業研究方向已覆蓋研發設計、成型工藝、軟件開發、試驗驗證等多個領域，正嘗試將增材制造技術逐步應用于船用及工業燃氣輪機關鍵部件的研發設計與加工制造。目前在用燃氣輪機研制過程中重點開展了金屬材料增材制造領域中的SLM技術和非金屬材料領域中的熔融沉積（fused deposition modeling，FDM）技術研究，并取得了較為豐富的研究成果。

增材制造技術研究方法
2.1金屬增材制造流程
SLM是金屬增材制造技術中最常見的一種形式。其主要步驟如下。

1）前處理：首先設計打印零件的CAD數字模型，將CAD模型轉化為STL文件，借助Magics或其他同類軟件將STL文件切片處理輸出SLI切片文件，隨后將SLI文件導入打印機。

2）成型：成型過程如圖4所示。首先在打印機成型艙內成型平臺上鋪一層很�。ㄍǔ�為0.04mm左右）的金屬粉末，鋪粉完畢后，高能量密度的激光束會根據導入的模型信息熔化選定區域內的金屬粉末。為保護金屬在熔化過程中不被氧化，成型艙內要被充入高純度的保護性氣體（氬氣或氮氣）。該層激光掃描完成后，成型平臺下降一個層厚，鋪上新一層粉末，開始下一輪激光掃描。該過程將被不斷重復，直至整個零件被成型出來。
 

3）后處理：成型后的零件一般需要進行后處理，主要流程包括粉末清理、固溶熱處理、線切割、支撐去除、表面質量改善、零件尺寸檢驗和無損檢驗（熒光檢驗、X射線檢驗等）。根據材料特性和零件類型，工藝路線可調整。

由于生產過程中的剩余金屬粉末可回收再利用，SLM技術相比于傳統加工方式可大幅節省原材料的消耗。本文重點采用了SLM技術開展了燃氣輪機燃燒室零部件的設計、加工及試驗驗證。

2.2非金屬增材制造流程
FDM技術的成型過程如圖5，原理是將絲狀的熱塑性材料（通常為ABS、PLA），通過帶加熱的噴頭加熱熔化，噴頭在計算機的控制下，移動到成型區域的指定位置，將熔融狀態的材料鋪覆在上一層已凝固的材料上，這樣的過程不斷重復，直到整個零件被打印出來。

本文采用基于FDM技術的非金屬材料增材制造技術，實現了燃燒室零部件的打印成型。

金屬材料選區熔化技術應用實例
3.1旋流器增材制造研究
燃燒室旋流器若采用鑄造方式生產，生產周期長達5個月且開模成本很高，在研發設計設計段，需要反復改進設計，導致研發成本高、研發周期長。為縮短研發設計周期，采用SLM增材制造技術進行旋流器成型。

旋流器增材制造研制流程為：旋流器增材制造結構優化設計—金屬粉末材料選取—SLM增材制造工藝參數調試—產品成型—后處理及相關檢驗—產品性能試驗驗證。

為了適應SLM技術成型的要求，對原有旋流器結構進行了適應性調整：將旋流器外部結構（圖6）優化為支撐最小化菱形結構。在不影響產品性能的前提下，提高成型的成功率。考慮到燃燒室部件屬于高溫部件，采用鎳基高溫合金GH3536作為成型材料，可耐溫950℃。采用SLM技術成型的旋流器通過了關鍵尺寸檢驗、熒光檢驗，并通過了旋流器流量試驗測試。最終，基于SLM技術成型的旋流器（圖7）將生產周期壓縮到2個月以內，節約了生產成本，縮短了設計迭代周期。
 

3.2混合器增材制造研究

火焰筒混合器結構復雜，包含多個冷卻環帶結構，還有非均勻布置的氣膜冷卻孔，如圖8所示。若采用鑄造方式生產，因零件壁厚較小（約2mm），液態金屬流動性差，不能一體成型，否則會產生大量的疏松、裂紋等缺陷，只能分段鑄造，需要開設多個模具，鑄造成功率較低，制造成本非常高。為解決這一問題，研發借助SLM技術制造混合器。為滿足更高的耐溫要求，打印材料采用GH5188（耐溫1000℃)。
 

        研究中開展了混合器的結構優化設計，在不影響產品使用性能的前提下，對局部結構進行微調，顯著提高了3D打印成型成功率；通過恰當的擺放實現了無支撐方案成型。整個混合器采用增材制造一體成型，減少了焊縫，有效降低了由焊接帶來的變形。混合器增材制造實物如圖9所示。
 

基于SLM制造的某型火焰筒尾部，通過了三維尺寸掃描、熒光檢測。該技術解決了復雜薄壁零件采用傳統加工方式制造困難的問題，并節約了生產成本，提高了研發設計迭代速度。

3.3火焰筒分段成型增材制造研究
傳統火焰筒筒身示意如圖10所示，傳統火焰筒筒身采用一定數量的錐筒及混合器、嵌入件、冷卻環、座圈等拼接焊接而成。混合器采用薄板材沖壓制成；嵌入件、冷卻環、座圈則采用鑄造成型，鑄造需要開模，周期長、成本高，且鑄造成功率較低；錐筒使用薄板母材滾壓成型后焊接成錐筒形狀，組裝焊接前需要保證每個錐筒的尺寸精度，且錐筒為薄壁件，所以對焊接工藝要求極高；每個錐筒上分布有60~120個氣膜冷卻孔，需要通過電火花打孔成型。這些工藝導致用傳統加工方式生產火焰筒工序繁多、生產周期長。

在低排放燃燒室的研制過程中，設計階段需要對火焰筒的主燃孔、摻混孔以及冷卻孔的大小、位置、分布方式進行多次調整，以達到更優越的性能，提高火焰筒的生產效率，縮短生產周期。為解決這一問題，開展SLM技術在火焰筒生產的實例研究（圖11），打印材料為GH3128。
 

在基于SLM成型的一體化火焰筒結構設計中，將原有通過焊接相連的錐筒合并為一個整體，大幅減少了焊接工序；3D打印成型實現了主燃孔、摻混孔及氣膜冷卻孔的直接成型，節省了電火花打孔工序。如采用傳統的加工方式，火焰筒包含30多個零組件，生產周期長達8個月；采用增材制造技術后，零部件數量縮減至13個，生產周期可縮短至3個月。

3.4旋流噴嘴增材制造研究
燃燒室旋流噴嘴結構非常復雜，旋流葉片由復雜曲面構成，葉片內部含有流道內腔。采用傳統加工方式制造，需要采用鑄造和機械加工相結合的方式，在少量生產的情況下成本高。為解決這一問題，研究采用SLM技術生產旋流噴嘴（圖12），為滿足耐溫需求，打印材料為GH5188。

為提高成型成功率，減少支撐數量，采用了將旋流噴嘴葉輪、外筒、燃料桿分別成型，然后焊接的方式加工。打印件通過了三維尺寸掃描、熒光檢測，將旋流噴嘴的加工周期縮短50%以上。

3.5渦輪葉片增材制造研究
燃氣輪機渦輪導葉內部有非常復雜的冷卻通道（圖13），若采用鑄造方式成型，成本高、生產周期長、成功率低。為解決這一問題，研究采用SLM技術直接成型，材料為GH3625。
 

在研究過程中，為提高成型成功率，多次對渦輪葉片的擺放角度進行調整；為提升表面粗糙度，對葉片表面進行了噴砂處理。零件通過了外形尺寸的檢測，滿足設計要求。通過增材制造成型的渦輪葉片如圖14所示。
 

非金屬材料熔融沉積技術應用實例
基于非金屬材料的FDM技術常用于展示教學模型、鑄造模具的快速成型。在燃氣輪機研發過程中，可用于打印方案設計模型，便于觀察復雜零部件內部結構、分析裝配關系等。

基于非金屬材料的FDM技術，對某型號火焰筒進行了改進設計，并打印了火焰筒1/4剖切模型，如圖15所示。該火焰筒模型主體部分為一體化打印成型，旋流器、座圈、定位器單獨打印并粘接在主體部分上。該模型可用于火焰筒結構展示使用，能夠非常直觀地看到火焰筒的結構細節。

在開展某型燃氣噴嘴增材制造適應性改進設計過程中，將FDM技術應用于方案模型的打印中（圖16）。為便于觀察噴嘴內部流道詳細結構，打印模型為2個半剖模型，可通過銷釘組合在一起。
 

基于FDM技術開展了某型燃氣輪機展示模型的設計及打印工作，如圖17所示，對真實尺寸燃氣輪機按比例縮放，并對一些結構細節進行簡化。模型整體由2000多個零部件組成，總質量約18kg。此外，還打印了某型燃氣輪機動力渦輪的展示模型如圖18所示，模型轉子部分可在電機驅動下旋轉。
 

結論
       本文依托中國船舶集團有限公司第七零三研究所在船用及工業燃氣輪機領域的研發基礎，嘗試將增材制造技術運用到燃氣輪機部件的制造中�；�于金屬材料的SLM技術，成功實現了旋流器、火焰筒尾部、火焰筒、旋流噴嘴等零部件的成型；基于非金屬材料的FDM技術，成功實現了火焰筒、燃氣噴嘴、燃氣輪機整機及動力渦輪模型的成型。在研究過程中，研發團隊結合自身專業優勢，將增材制造思想融入部件結構設計中，使得改進后的零部件既能滿足其功能性要求，又能提高打印成型的成功率，燃燒室部件生產周期得到顯著縮短，提升了研發設計效率。在研究過程中形成了一定的技術積累，為后續的研究奠定了基礎。
      另外，在研究過程中發現，增材制造技術并不適用于所有類型的零件。包含大量實體部分的零件，在基于SLM技術成型過程中，由于燒結橫截面過大，導致熱量積累，散熱困難，會引起零件成型過程中變形翹曲，導致成型失敗。此類問題有待于進一步解決。
     燃氣輪機設計制造領域是設計密集型產業，無論是前期的設計過程，還是后期的維修保養過程，都涉及到復雜結構非標準零件的快速成型。未來增材制造技術與燃氣輪機設計的相互融合有助于兩者的協同發展。結合全球主要的燃氣輪機制造商（美國GE、德國西門子、日本三菱）對增材制造技術在燃氣輪機燃燒室部件研發生產中的應用情況，預計增材制造技術在燃氣輪機燃燒室的未來應用研究重點包括：1）燃氣輪機熱端部件的維修、備件按需打�。�2）增材制造思想與燃燒室部件設計思想的深度融合；3）探索更多新型高溫合金材料的增材制造應用；4）更大尺寸燃燒室部件的快速、高效成型。

(責任編輯：admin)

• Empa研究人員制作出可模仿
• 增材制造技術在燃氣輪機研
• Elve推出分層增材多材料制
• 韓國研發MXene高分辨率3D
• 解放軍總醫院《ACS AMI》
• FormAlloy為DED金屬3D打印

• ·Empa研究人員制作出可模仿真實肌肉的3D
• ·增材制造技術在燃氣輪機研制中的應用研
• ·Elve推出分層增材多材料制造（LAM3D）
• ·韓國研發MXene高分辨率3D打印技術，達
• ·解放軍總醫院《ACS AMI》：釋放治愈能
• ·FormAlloy為DED金屬3D打印添加掃描和刀
• ·賓夕法尼亞大學通過引入無序設計提升3D
• ·新突破：3D打印技術可實現高性能、超低