汽轮机304L空心静叶片3D打印研制

梅林波，王 煜，张红梅

(上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240)

金属3D打印技术已经成为当前世界主要制造大国实施技术创新、提振本国制造业的重要着力点。激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)作为金属3D打印技术的典型代表，是一种新型的激光快速成型工艺，其基于分层、叠加累积原理，使用高功率激光逐层熔化金属粉末，从而实现金属零件的快速制造，成型过程不需要复杂的工装模具[1-2]。国际上，目前西门子、GE等行业巨头正积极在能源领域进行金属3D打印技术布局。国内金属3D打印技术在汽轮机零部件的设计、制造与应用方面尚属空白。基于此，上海汽轮机厂(上汽厂)与上海探真激光技术有限公司(上海探真)合作，成功试制出407 mm的SLM工艺3D打印304L不锈钢空心静叶片样件，并完成了136支304L不锈钢空心静叶片产品的打印、后处理以及评估。目前3D打印的空心静叶片产品已成功应用于垃圾焚烧发电项目，实现了3D打印技术在汽轮机行业中的首次应用尝试。与传统铸造空心静叶片相比，3D打印空心静叶片在降低模具成本的基础上，有效缩短了产品生产周期，有力保证了有品质的透平产品交货期。

1 空心静叶片产品信息

空心静叶片通常采用精密铸造或钢板压形、焊接的制造方式。为了在空心静叶片上运用金属3D打印技术，此次研究为其量身设计了三维UG模型，如图1所示。该空心静叶片长度为407 mm，材料为304L，叶片为空心结构，有效厚度为3 mm，内弧侧均布一定数量的小尺寸疏水孔，这给3D打印工艺带来一定的挑战。

图1 空心静叶片三维UG模型

2 3D打印及后处理

2.1 粉末信息

3D打印空心静叶片采用304L不锈钢粉末，其化学成分如表1所示。粉末粒径范围在15～53 μm，松装密度大于4.0 g/cm3，霍尔流速为16 s/50 g。

表1 304L粉末化学成分

2.2 3D打印工艺

此次研究所采用的3D打印设备为上海探真自主研制的SLM成型设备TZ-SLM500A，该设备能够打印的零件最大尺寸为500 mm×500 mm×1 000 mm。打印叶片与随炉试棒的工艺设计布置如图2所示。TZ-SLM500A设备有4个500 W的IPG光纤激光器，把500 mm×500 mm尺寸的不锈钢基板平均分成A、B、C、D 4个打印区域，每个打印区域附有3个沉积方向试棒和3个水平方向试棒。打印过程中的相关工艺参数如表2所示。

图2 打印的叶片与随炉试棒布置图

表2 304 L空心静叶片3D打印参数

2.3 后处理

3D打印完成后，将空心静叶片和随炉试棒连同基板一起进行真空去应力热处理，实物如图3所示。去应力热处理时保温4.5 h，然后随炉冷却至150 ℃后出炉空冷。在去应力热处理完成后，对打印的空心静叶片表面进行抛磨处理。

图3 打印的空心静叶片和随炉试棒实物图

3 打印件质量评估

3.1 化学成分

从A、B、C、D 4个打印区域中选择沉积方向的随炉试棒取样，进行化学成分分析，分析结果如表3所示。可以看出，4个打印区域的随炉试棒的化学成分均能够满足相关技术要求。由于TZ-SLM500A设备使用高纯度的Ar保护气体对打印腔室进行清洗，因此能将成型的304L棒材中的氧含量与粉末中的氧含量控制在同一水平。

表3 4个打印区域随炉试棒的化学成分

3.2 力学性能

4个打印区域随炉试棒的室温力学性能如表4所示。从表4可以看出，4个打印区域的随炉试棒在沉积方向和水平方向上的室温拉伸性能均能够满足相关技术要求。沉积方向试棒的屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm比水平方向要低约50 MPa，存在明显的各向异性。SLM成型的304L试棒的强度显著高于铸造、锻造或轧制加工方式制造的零件，但其塑性较低，主要原因是由于SLM成型的304L试棒的显微组织是快速凝固形成的，其晶粒尺寸比较细小。由Hall-Petch公式可知，晶粒尺寸越小，强度越高。陈伟等[3]在SLM制备的304L材料中观察到析出相和高密度位错，认为这使得3D打印态的304L材料强度远高于传统制造方法制备的材料。Zietala等[4]指出用特殊SLM制备奥氏体不锈钢组织，虽然能够提升材料强度，但是对塑性并没有改善作用，这主要归因于打印缺陷和非平衡相的析出所导致的材料脆化。

表4 4个打印区域随炉试棒的室温力学性能

3.3 显微组织

4个打印区域试棒沉积方向的金相组织如图4所示。从图4可以看出，4个区域试棒沉积方向金相组织含有少量的细小未熔合缺陷，同时可以清晰地看到由激光熔覆道之间相互搭接的轨迹所形成的鱼鳞状晶界。文献[5]指出在SLM每一层成型的过程中，2道扫描线之间需要相互搭接，之前被熔化的扫描轨迹需要扫描重熔，进而在激光熔覆道之间产生牢固搭接。

图4 4个打印区域试棒沉积方向的金相组织

4个打印区域试棒水平方向的金相组织如图5所示，从中可见4个区域试棒水平方向也存在少量的细小未熔合缺陷，金相组织主要以形状不规则的奥氏体晶粒为主。丁利等[6]认为未熔合缺陷主要是由于成型过程中激光能量输入不足或者搭接率和重熔率不足，从而使相邻沉积层未完全融合在一起所导致的。

A打印区域随炉试棒拉伸断口SEM照片如图6所示。从图6可以看出，沉积和水平方向拉伸试样断口均表现出韧性断裂特征。从SEM照片上可以看到明显的韧窝，说明断裂方式为沿晶断裂，宏观上显示出良好的塑性。

3.4 致密度

依据阿基米德原理，按照GB/T 3850测试随炉打印试棒的体积密度，然后将测试结果与理论密度对比，获得打印试棒的致密度。304L不锈钢的理论密度为7.93 g/cm3。4个打印区域随炉试棒的体积密度和致密度试验结果如表5所示。

4个打印区域沉积方向和水平方向随炉试棒的致密度均在98%以上。文献[7]表明，对于奥氏体不锈钢材料，激光功率310 W、扫描速度为960 mm/s、扫描层厚为0.04 mm、扫描间距为0.13 mm时，打印的316L零件的致密度超过98%，材料强度和致密度达到最佳状态，这与本文打印叶片所选择的工艺参数和试验结果基本一致。李瑞迪等[8]的研究结果表明，可以通过提高激光打印功率，降低扫描速度、铺粉层厚以及扫描间隔等措施，获得高致密度的304L不锈钢材料。Gu等[9]的研究指出，在一定的激光波长λ下，较高的扫描速度会使得扫描轨迹直径R快速下降，从而导致λ/R随之增大，较大的λ/R容易导致球化现象，所以高激光功率和低扫描速度有利于减少球化现象，促进致密化。

A区域静叶片背弧侧取样进行体积密度测试的位置如图7所示，其结果如表6所示。从图7和表6可以看出，A区域打印的空心静叶片3个位置的体积密度实测平均值为7.87 g/cm3，理论密度为7.93 g/cm3，相对致密度已经达到99.24%，打印的空心静叶片的致密度与随炉试棒的致密度基本吻合。

图7 A区域静叶片背弧侧取样位置

表6 A区域静叶片不同位置的体积密度测试结果

3.5 叶片PT检验

对4个打印区域空心静叶片进行PT检测，线性和非线性指示按照铸件或钢板的评定要求进行评定。4个打印区域各1支静叶片的PT检验结果如图8所示。从检验结果中未发现明显缺陷，由此证实此次研究所采用的技术和工艺均满足相关要求。

图8 4个打印区域叶片的PT检验结果

4 结 论

本文根据3D打印技术的特点设计了空心静叶片产品，并采用优化的粉末特性、SLM成型工艺以及后处理工艺，成功打印出304L不锈钢空心静叶片和随炉试棒。相关检验结果表明：

1)4个打印区域随炉试棒的化学成分、力学性能和金相组织均满足相关技术要求，其中沉积方向随炉试棒的屈服强度和抗拉强度低于水平方向，表现出明显的各向异性；从随炉试棒的金相组织中观察到少量细小的未熔合缺陷。

2)打印的空心静叶片和随炉试棒的致密度均在98%以上，呈现出良好的致密性。

3)PT检验结果显示，叶片内弧面和外弧面均没有明显缺陷，无损探伤结果符合铸件或钢板的评定要求。

按照本文工艺方法研制的304L不锈钢3D打印空心静叶片，其随炉试棒评估结果显示各项指标均能够满足相关技术要求。136支3D打印空心静叶片已成功应用于垃圾焚烧发电机组，实现了3D打印技术在汽轮机行业中的首次应用尝试。