美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员成为第一个3D打印用于发电厂发电的大型旋转蒸汽涡轮叶片的人。该项目由合作伙伴西门子技术公司(西门子公司的美国研发中心)领导，表明电弧增材制造对于超过25磅的关键部件的可扩展生产是可行的。这些零件传统上是使用大部分转移到国外的铸造和锻造设备制造的。

“现在我们认识到，我们无法从国内供应链获得超过100或200磅的小批量铸件和锻件，”ORNL沉积科学与技术小组的首席研究人员和组长MichaelKirka说。“这让我们陷入了难以为继的境地，尤其是当我们看到国际冲突如何影响关键物资的国际流动时。”

电弧增材制造使用电弧在机械臂控制的过程中熔化金属丝。金属薄层逐渐堆积成所需的形状。打印完成后，将对零件进行机加工以满足最终设计要求。用于制造涡轮叶片的线弧技术是根据合作研发协议与林肯电气公司合作开发的。

由于电弧焊制造基于焊接技术，因此很容易用于修复现有零件。这可以让西门子能源公司(西门子姊妹公司，也是该项目的合作伙伴)等公司能够根据与电力公司的服务合同更轻松地维护和升级设备。

西门子2019年开始电弧研究时，重点关注部件修复。然而，在大流行期间，范围扩大了，新铸造蒸汽涡轮叶片的等待时间延长至两年。然后该项目扩大到包括打印整个替换零件，因为这些类型的涡轮发动机用途广泛，足以在天然气、煤炭和核电站中使用，Kirka说。

橡树岭国家实验室的研究人员对材料进行了实验，并开发出了更好的方法来评估打印部件的机械性能。由钢合金制成的大型蒸汽涡轮叶片是这些努力的结晶。

“最初的目的是只打印刀片顶部的25%，”西门子技术高级首席专家阿南德·库尔卡尼(AnandKulkarni)说。“但是，当我们在ORNL看到电弧设置的潜力时，我们认为我们可以在一次构建中完成整个叶片。在构建过程中扫描零件的能力为我们提供了可以馈送到加工中的正确信息员工，使我们能够减少生产时间。”

虽然大型铸件和锻件的等待时间已减少到七、八个月，但橡树岭国家实验室却能够在12小时内打印出叶片。库尔卡尼说，包括机械加工在内，叶片可以在两周内完成。

Kirka表示，虽然线弧是一种著名的3D打印技术，但之前从未使用过它来制造如此规模的旋转部件。涡轮叶片通常没有平行或垂直的表面。它们的轮廓曲线向尖端变窄。“能够打印和完成没有定位功能的东西是一个挑战，”他说。此外，这种尺寸的较重部件冷却得更慢，从而增加了沉积层的速度和顺序的敏感性。

零件加工完成后，西门子正在与电力科学研究院合作进行无损评估和测试。“我们仍在关注事物的属性方面，看看结果与传统方法相比如何，”库尔卡尼说。然而，对于维修来说，属性不必相同：目前的挑战只是保持发动机运行并避免停机，他说。

“但如果零件质量良好，就会为更多的按需制造打开大门，”库尔卡尼说。“这个案例研究打开了大型组件的大门。”

3D打印的一个关键优势是，它使公司不再依赖于他们无法控制的特定制造工具，例如由单个铸造厂针对单一设计制造的模具。柯卡说，当今涡轮机中的许多大型部件都有几十年的历史，但由于关闭和行业离岸，制造它们的工具实际上已经消失了。3D打印提供了更可靠的替代方案，因为它可以复制任何设计。