谷研究 l 西門子通過3D列印實現燃氣渦輪發動機上的翼型部件與護罩部件的互鎖

談到增材製造，尤其是包括LENS定向能量沉積在內的金屬3D列印技術，我們通常想到的是實現複雜零部件的製造或小批量個性化零件的製造，然而還有一個比較「另類」的應用正在被西門子開發。

根據3D科學谷的市場研究，西門子正在開發通過3D列印技術實現燃氣渦輪發動機上的翼型部件與護罩部件的互鎖，為此，西門子還申請了相關的專利。

連接不同材料

的LENS技術

這是一個腦洞大開的探索，以往的複雜零件需要組裝或者焊接的形式成為一個整體，而西門子的發現正在將3D列印作為部件之間連接的「一把鎖」，這個思路頗有些曲徑通幽的妙處。

在燃氣渦輪發動機領域，單個組件的各個零部件可能具有完全不同的機械性能要求。有時候是材料的不同，有時候是形狀的極大差異化，並且那些更昂貴或難以製造的材料可能僅限於所需組件的個別部件，而更便宜或更易於製造的材料可用於組件的其他位置。此外，製造組件的這種模塊化方法允許當組件出現質量問題的時候只需要更換單個零件而不是整個組件，這樣可以延長組件的使用壽命並且降低維護保養成本。

零部件連接的通常方式包括諸如焊接和釺焊的冶金方式。但是，有許多渦輪機中的高溫材料很難焊接，對防止開裂也有很高的要求。這對釺焊接頭來說不是什麼問題，但釺焊接頭只有釺焊材料的強度。

西門子找到了用於連接部件以形成組件的創新方法，根據3D科學谷的市場研究，具體而言，完成組件中零件的「組裝」是通過增材製造工藝逐層形成「鎖定」的。零件的互鎖關係確保互鎖關係的互鎖零件保持彼此接合，從而形成完整的組件。

圖片：鎖定部件16保證了12和44的互鎖關係

這與依靠使用諸如切割、鑽孔、研磨等技術去除材料的減材製造方法相反。在加工過程中，金屬粉末被定向輸送到零件表面，同時通過激光束產生熔池將其固化。形成層之後可以升高激光能量以便在所形成層的上層再形成另一層。最終所形成的部件是完全緻密的（完全燒結的），此外鎖定部件並不一定是金屬材料的，還可以是陶瓷材料的。

與使用其他粉末冶金工藝製造的部件相比，通過逐層增材製造工藝形成的粉末冶金部件具有獨特的微觀結構。根據3D科學谷的市場研究，這種LENS技術可將晶粒結構中的晶粒尺寸限制到極小的程度，另外通過設定焊池的大小也限制了晶粒的大小。

其次，在逐層方法中，由於分層過程，組件中的晶粒將具有層狀結構。相反，在傳統的粉末冶金工藝中，單獨的粉末顆粒不會熔化，而是在暴露於燒結過程中的高溫（低於熔點）時通過相互擴散而結合在一起。粉末顆粒彼此具有無規取向，並且顆粒之間的界面成為晶界。

西門子通過3D列印實現燃氣渦輪發動機上的翼型部件與護罩部件的互鎖，鎖定部件可以採取環或圓柱體的形狀。翼型部分需要經受燃氣渦輪發動機中的熱燃燒氣體環境中更大的抗蠕變性，而護罩部分由於帶有經受磨損的尖端部分則需要更大的抗研磨性能。這兩個部件機械性能要求的不兼容性使得難以通過焊接來接合。此外需要避免碎屑發生的問題也使得通過常規的機械連接受限（例如螺栓連接）。

圖片：Mechanical joining using additive manufacturing process西門子專利

增材製造在冶金學上滿足了翼型部件與護罩部件的連結需求，並且還避免了螺栓連接可能帶來的碎屑問題。

------3D科學谷Review

在當前的市場應用領域，文中提到的LENS技術在零件修復領域應用更加廣泛，而在材料的控制方面，我國目前的發展不落後於國外。舉例來說，北航在定向生長柱晶及單晶鈦合金具有一定的研究和應用成果。

北京航空航天大學的增材製造技術是通過在動態密封氣氛可控加工保護室或密閉氣氛可控加工保護室(先抽真空後充惰性保護氣體)中，以高能束流作為熱源，將氣流或重力同步輸送的鈦合金粉末流在普通鈦合金基板上連續熔化沉積或逐層熔化沉積，無模自由成形直接製備具有定向生長挺直柱晶組織、不同截面形狀的鈦合金錠材或任意複雜的鈦合金零件；採用選晶或者使用單晶籽晶的手段，連續熔化沉積可以製備出單晶鈦合金錠材，在單晶鈦合金基板上逐層熔化沉積還可製備出單晶鈦合金零件。

LENS技術屬於DED定向能量沉積的類別範疇，DED不僅僅包括送粉的技術還包括送絲的技術，不僅僅包括激光還包括等離子和其他熱源，而在DED技術應用於零件的製造方面，南方增材科技依據王華明院士帶領的技術團隊自主研發的重型金屬3D列印技術，以金屬絲材與輔料為原材料，在電熔冶金的環境下，利用高能熱源熔化原料絲材，根據成形構件的分層切片數據，採用計算機控制，實現原材料逐層快速激冷凝固堆積，最終獲得超低碳、超細晶、組織均勻、綜合力學性能達到甚至優於傳統鍛造工藝成形的金屬構件。這項技術還在2018年初被成功應用於大亞灣核電站的制冷機端蓋。

參考資料：US 9903212 B2

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