基于熔融沉积技术的汽轮机叶片熔模铸造生产

刘艳波

摘  要：汽轮机属于旋转型的蒸汽动力装置，高压高温的蒸汽穿透汽轮机固定喷嘴处后，会被转变为速度极快的气流，直接喷射到叶片上，推动转子旋转，向外做功。火力发电厂中的汽轮机是核心设备，这种设备在船舶动力装置、化学工业以及冶金工业中也被有效使用。考虑到其叶片的重要功能，在生产时，必须重视生产质量与效率，现探讨熔融沉积技术在熔模过程中的重要意义。

关键词：熔融沉积技术;汽轮机;叶片;熔模铸造

现代工业生产活动需要有汽轮机设备的支持，在加工制造汽轮机的叶片时，必须要关注熔融沉积技术的使用情况，确保叶片的质量，使用传统的熔模铸造技术需要消耗较长的设计周期，同时还要进行反复验证，整体成本比较高，而新型熔融沉积技术可以辅助叶片生产，简化加工过程的同时，还可确保汽轮机叶片的标准性与一致性，现分析技术应用建议。

1 熔融沉积技术概述

燃气轮机是现代制造业的“动力之源”，其中的涡轮高温叶片则是燃气轮机的核心部件之一。叶片在高温、高速、高应力和高腐蚀的环境下工作，对组织性能和加工质量要求极高。其结构复杂，制造难度大，目前多采用熔模铸造技术来制作。燃气轮机叶片升级换代快。如何快速制造新型叶片样件成了摆在铸造工作者面前的重要任务。采用熔融沉积技术（FDM）打印ABS材质作为零件模样、粘接蜡质浇冒系统模样，制造型壳，获得了合格叶片铸件。

快速原型技术（ Rapid prototyping pechnology，RPT）是利用“离散/堆积”的原理，逐层堆积成型零件或产品的原型。与“减材制造”相对应，快速成型技术又被稱为“增材制造”。它基于材料的堆积，集机械工程、三维扫描、分层制造技术、材料科学等于一身，将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。

熔融沉积技术（Fused deposition modeling，FDM）作为快速成型工艺的一种，其过程中无需专门的工装夹具，从CAD数字模型到获得相应的原型或零件，仅需数小时或数十小时。FDM工艺多采用ABS丝材，成型温度通常为80～120℃。与其他的RPT工艺相比，FDM工艺不依赖于激光技术，其成型设备结构简单，维护方便，并且是目前RTP设备中价格最低，其使用的ABS丝材的成本低，易于储存和更换，对环境无污染。

2 快速熔模铸造生产活动分析

2.1 生产ABS模样

首先应当结合叶片设计图纸，将其三维造型完整地设计出来。确定叶片的各种设计参数，使用UG软件，对汽轮机的叶片展开数字化模拟工作，设计三维模型时，必须要对原来的叶片进行简化，可以减去一些构件，将叶身内形取消，另外气模孔、隔肋、扰流柱等细部结构也可被省略。形成叶片的模型之后，将其进行格式转换，转变为新的STL格式。

使用3D打印机将ABS模样完整地打印，确定打印出的模型能够满足建模尺寸设置要求。输入格式为STL的文件，使用专用型的分层模块达到分层优化的目的，确定定点、面与边的数量。在实际的工作中，需对原来的支撑材质以及打印路径展开优化。制定打印方案之后，选出最合适的打印方案，选定不同打印方案的基本指标为打印效果与使用的支撑方式。

展开打印活动时，叶片模型材料的温度经测定为312℃，支撑材料的温度数值为312℃，层厚度尺寸为0.254mm，壁厚度数值为0.914mm。打印时间大约为2.5h，之后即可获取ABS模样。

2.2 制作蜡模组

完成模样生产工作之后，可继续制造蜡模组。针对叶片的具体特点来设计铸造工艺方案。浇筑系统型式极其明显，主要由分配直浇道、横浇道以及浇口杯共同构成。为了避免拉模组出现变形的问题，应当增加拉筋，辅助制作拉模的工作。运用瞬态热分析技术手段与相应的系统结构，可使热场耦合技术手段也发挥效用，展开有限元模拟活动，对浇冒系统的应用合理性进行考察，控制应力与锁孔缺陷带去的影响，形成科学的模组设计铸造工艺技术手段。

结合工艺方案，蜡模浇筑工作不能出现差错，否则加工叶片的工作会被延误。进行浇筑工作时，应当使用商业蜡，在110到150℃的条件对蜡料进行保温处理工作，同时还必须配合搅拌处理。在54到70℃的温度条件下，确定保温时间已经达到了24小时之后，可启动压制浇筑装置，蜡模室温范围为18到25℃，湿度在30%到70%。粘结蜡质浇筑系统与ABS模板。

2.3 制作型壳

在最后的加工环节中，需要完成型壳制作工作。结合试剂数据，对熔模铸造过程中应用的涂料配方展开调整，使型壳保持比较高的膨胀率，完成脱蜡与脱ABS壳工作时，需确认型壳是否出现了破裂与微变形的问题，使型壳保持完整。

设置工艺参数时，必须要关注会对叶片产生重要影响的关键参数，对挂砂的过程进行有效控制，调整加工环境的温湿度，确保干燥工作间与制壳工作间的湿度与温度均能够达到标准，对工作间的风速展开严格监控，在干燥控制环节中，应当重点控制干燥温度。

一共挂砂五层半，配方部分参数见表1。

脱蜡和脱ABS。首先在DN型蒸汽脱蜡釜中脱蜡，温度152℃，时间6min。然后按照制订的工艺路线在焙烧炉中脱ABS，获得了完整的型壳。叶片产品。浇注前再次焙烧。采用手抬包浇注。浇注金属后，冷却180min脱壳。

完成前期熔融沉积处理工作后，需对产品的细节部位进行加工与改进，确保产品与设计图保持一致。

首次采用FDM打印的ABS模样粘接蜡质的浇注系统的快速熔模铸造技术，生产了汽轮机叶片，为企业创造了新的经济增长点。3D打印技术在铸造方面的应用越来越广泛，铸造企业必须抓紧时机，结合自己的现有条件，迎头赶上。

3 结束语

燃气轮机在工业生产活动中的使用率比较高，其叶片作为核心部件，必须被严谨对待，叶片的运行环境存在高腐蚀性、高速以及高温的特点，因此叶片在加工质量与组织性能方面的要求必须被满足。考虑到叶片具有的复杂结合，技术人员对原来的熔模铸造技术进行了改进，结合叶片部件升级换代速度快的特点，发挥了熔融沉积技术的作用。提升了汽轮机叶片的整体合格率。

参考文献

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