深度剖析GE通過3D列印實現渦輪機葉片翼型多層外壁

2020-09-24 3D科學谷

航空發動機作為航天飛行器的核心部件，決定發動機關鍵性能的渦輪葉片成為研究的重中之重。一臺航空發動機的推動力與渦輪機前沿進氣口溫度密切相關，渦輪葉片的承溫能力則決定了整臺發動機的推動力，而提高渦輪葉片承溫能力的方法主要有兩種，一種是探索性能更優化更穩定的高溫合金；另一種是探索具備複雜空心結構的葉片冷卻技術。

本期，3D科學谷與谷友共同來領略GE於2020年9月15日獲得通過的專利《turbine airfoil multilayer exterior wall》中所披露的如何通過增材製造實現更好的葉片冷卻，其中涉及到通過增材製造製成的熱氣路徑部件的多層壁。

降低塗層剝落危害

更加複雜的冷卻

燃氣渦輪系統包括具有多級渦輪，其葉片從支撐轉子盤向外延伸，每個葉片包括暴露於熱燃燒氣體流中，葉片必須獲得冷卻以承受燃燒氣體產生的高溫。冷卻不充分可能會導致葉片上產生不必要的應力和氧化，並可能導致疲勞和/或損壞。

帶有複雜空心結構的葉片通常具有一個或多個內部冷卻流迴路，內部冷卻流迴路帶有多個冷卻孔等。冷卻空氣通過冷卻孔排出，以向葉片的外表面提供冷卻。其他類型的熱氣路徑部件和其他類型的渦輪部件可以以類似的方式冷卻。

儘管可以在給定組件在現場投入運行之前執行模擬仿真運算以確認冷卻效果，但是由於特定於組件的熱區和冷區或其任何區域可能達到的確切溫度差異很大，特別地，運轉過程中可能會受到過熱的不利影響。結果，許多熱氣路徑部件可能被過冷以補償可能在部件上形成的局部熱點。但是，這種過度的過冷可能會對整個運轉和效率產生負面影響。

此外，儘管存在冷卻通道，許多組件還依賴於施加在其外表面的隔熱塗層（TBC）來保護組件。如果在熱氣通道部件的TBC中發生破裂（稱為剝落），則該部件在剝落處的局部溫度可能會升高到極限溫度之外。剝落可能使熱氣路徑部件的外壁暴露於高溫流體，從而導致外表面氧化，從而縮短了熱氣路徑部件的壽命。

一種解決TBC剝落的方法是在TBC下方的冷卻孔中插入塞子。當發生剝落時，通常通過暴露於足以使塞子熔化的熱量來移除塞子，冷卻孔打開，並且冷卻介質可以從流體耦合至冷卻孔的內部冷卻迴路中流出。這個過程減少了過冷。然而，塞子的形成是複雜的，需要對材料進行精確的機械加工或精確的熱處理或化學處理以形成塞子。

多層結構

GE於2020年9月15日獲得通過的專利《turbine airfoil multilayer exterior wall》公開了渦輪葉片具有多層的外壁的翼型設計。渦輪機翼的外壁的層可以間隔開以在其間形成冷卻室。冷卻室可各自通過在層之間延伸的分隔壁軸向地分隔成多個冷卻室。

燃氣輪機系統形式的熱氣路徑部件。來源：US10774656B2

葉片外壁的外層可包括多個冷卻通道，外層外表面上還可以施加隔熱塗層（TBC）。除外層之外的外壁各層均可以包括多個衝擊開口，以允許冷卻流體在葉片中心腔室和其他冷卻腔室之間流動。

熱氣路徑的透視圖。來源：US10774656B2

GE的專利中顯示，葉片外壁及其結構通過增材製造形成，例如PBF基於粉末床的選區金屬熔化3D列印技術。

熱氣路徑的透視圖。來源：US10774656B2

當隔熱塗層（TBC）中的剝落使多層外壁的外層暴露於高溫環境時，壁的結構允許冷卻液流從渦輪機翼的中央腔室通過冷卻腔室達在外層的內表面上，冷卻流體還可以在暴露的外層的開口上方形成縫隙膜，以減慢暴露的外層的氧化。

3D科學谷Review

曲徑通幽

空心結構改進了原始渦輪葉片的冷卻方式，這種結構能夠有效提高渦輪葉片的承溫能力，從而有效提高發動機的工作溫度，這種更為高效的氣冷方式是目前的研究重點。通過複雜氣冷內腔結構改善渦輪葉片散熱能力已成為先進發動機製造的關鍵。

除了PBF基於粉末床的選區雷射熔化金屬3D列印技術，陶瓷3D列印葉片型芯技術與葉片鑄造的結合是另外一種曲徑通幽的空心葉片製造方式。其中，舉例來說，航空航天巨頭法國賽峰集團已經長期使用Lithoz 陶瓷3D機生產葉片型芯。

Lithoz公司的LCM技術可以實現傳統工藝無法完成的高複雜結構陶瓷產品的生產。LithaCore450是一種可以3D列印製備高精度、高細節陶瓷葉片型芯的材料。燒結後的葉片型芯產品具有非常低的熱膨脹率、較高的孔隙率、優異的表面質量和優良的洗濾性等優點。

由於該技術無需模具，因此大大縮短了研發-市場階段的周期。與傳統的注射成型製造葉片型芯技術相比，3D列印技術是一種無需模具的生產製造技術。因此3D列印技術可以繞過傳統工藝必須的、昂貴而又複雜的模具製造部分。

目前，國內外在空心葉片製造中使用比較普遍的主要有矽基和鋁基陶瓷型芯。其中，相較於鋁基陶芯燒結困難和不易脫芯等問題的存在，矽基陶瓷型芯以熱膨脹係數小、穩定性好、表面光潔度高且易於脫芯等一系列優點，而廣泛應用於國內外航空工業中。

微觀與介觀發力

正如ACAM中國董事王曉燕在《3D列印助力動力裝備發展報告》提到的在渦輪發動機葉片的運轉過程中，裂紋是葉片的致命缺陷，葉片的發展趨勢是採用更耐高溫的鎳基合金，而且冷卻設計越來越複雜，冷卻效果的要求越來越高，同時採用高效的隔熱塗層。而3D列印通過實現更均勻可控的晶體組織、更複雜的葉片冷卻通道、與金屬基體結合更緊密的隔熱塗層，從而提升了葉片的性能，更有效的避免裂紋發生。

視頻：Fraunhofer IWS 開發下一代更高效飛機發動機金屬塗層

不過，值得注意的是，並非單獨通過3D列印就可以完成這些使得工業製造領域「皇冠上明珠」-葉片這樣的零件，3D列印與傳統加工技術的配合是不可或缺的，在這方面，國際上GF 加工方案的增材製造解決方案致力於在車間真正實現端到端的集成，實現無縫和高效的工作流程的關鍵就是要對現有的軟硬體環境做出調整，這是當前發揮3D列印潛力的另一塊需要重視的能力建設。

總體來說，3D列印與傳統加工工藝的配合，正在微觀、介觀等不同維度上助力實現更穩定、性能更強大的葉片，成就更加安全的飛行。

參考來源：US10774656B2

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