制造 | 西工大&东方汽轮机：3D打印树脂模在重型燃机透平叶片制造中的应用技术研究

摘要

针对重型燃机高温透平叶片精铸流程长、试验迭代慢的特点，介绍了3D打印树脂模在燃机叶片精密铸造开发过程中的应用情况。重点阐述了3D打印树脂模的材料特性、强度控制方法、表面特性以及适应精密铸造过程的工艺匹配方法，为采用树脂模直接成型叶片创造了条件。

燃气轮机是关系国计民生的重大战略装备，近年来国家成立“两机”重大专项支持燃气轮机自主研发。高温透平叶片是燃机的关键核心部件之一，是制约燃气轮机自主研发的瓶颈所在。高温透平叶片通常采用熔模精密铸造成型，该方式工序复杂，流程长，模具费用高，精铸工艺开发周期长，迭代效率较低。尤其是在原型机开发阶段，叶片设计需反复改型，采用模具制模时，模具制造及改型时间长、成本高，甚至会因无法修模导致模具报废。国外TSL公司采用SLA（立体光固化成形）技术为GE公司制造燃气轮机原型机叶片。近年来，以东方汽轮机为代表的燃机叶片制造公司陆续引进SLA打印技术[1]，加快高温透平叶片精密铸造开发进程。但是行业未有深入研究燃机叶片的打印技术及精铸工艺匹配方法。宗学文等[2]通过数值模拟研究了树脂模成型对型壳开裂的影响，乔海滨等[3]对比了SLA、PS粉、PMMA粉模残蜡焙烧后灰分对铸件质量影响。本文从工程应用上，阐述了燃机叶片精密铸造工艺对3D打印树脂模的性能要求，建立了3D打印参数选型依据，建立了树脂模与精铸工艺的匹配方法。

重型燃机叶片铸件尺寸精度要求高，表面粗糙度要求尽量低。树脂模尺寸精度高、强度高，可防止蜡模组装及制壳时模组断裂；树脂模表面粗糙度适中，可保证树脂模既能涂挂上面层浆料，又能形成表面光洁的铸件；树脂模气密性好，可防止清洗时清洗液进入内腔，型壳面层制备时浆料进入内腔；树脂模灰分尽量低，可减少灰分与钢水的反应；树脂模吸水率尽量低，可防止型壳面层制备时面层水分被树脂吸收，导致面层干燥过快开裂。燃机叶片精密铸造对树脂模的要求见表1。

燃机叶片精密铸造树脂模选用铸造零件打印专用的SomosWaterShed树脂。从表2[4]可看出，该款树脂拉伸强度达到50.4MPa、抗弯强度68.7MPa，满足常规精密铸造组模及制壳要求。对于3D打印树脂而言，制备陶瓷型壳后面临的最大问题就是脱蜡时胀壳，因此树脂材料的热膨胀系数要尽量小。该款树脂在100～150℃区间热膨胀系数为187×10-6℃-1，对于400mm长的叶片来说，温度上升50℃,热膨胀量为3.74mm。由于3D打印树脂模通常为空心结构，外部的热膨胀受型壳阻碍时，热膨胀可向树脂内部方向发生；对于1mm厚度的叶片排气边来说，热膨胀量为0.009mm。由于该部位无法设置空心结构，要采取措施避免该部位的胀壳问题。

为了建立适宜燃机叶片制造的树脂模打印参数选型数据库，根据生产经验，参考GB/T7314—2017《金属材料室温压缩试验方法》，通过试样压缩强度来表征树脂模强度。压缩强度越高，树脂模组模后模组刚性越好，但是脱蜡时容易带来胀壳问题。压缩试样尺寸φ20mm×60mm。选择制约3D打印树脂模强度的关键参数：抽壳厚度、钻石支撑粗细a、长度b，其中抽壳厚度选择0.7～1.1mm，钻石支撑长度3~7mm，支撑粗细选择0.8～1.2mm。设计了正交试验，累计打印了27个压缩试样树脂模。试验打印的典型试样如图1所示。图2为不同打印参数下的抗压强度试样。

图3为实测抗压强度与抽壳厚度、支撑粗细、支撑长度的关系曲线。以抽壳厚度为例，横坐标表示抽壳厚度依次增加的3个试样的测试结果。总体看来，3D打印树脂模抽壳厚度越厚、支撑越短，试样的强度越高；支撑粗细与抗压强度关系不明显。制备型壳后脱蜡时，树脂模强度越高，越容易造成型壳开裂。图3也提供了树脂模3D打印参数选型原则。抽壳厚度小、支撑长度大的参数，打印后树脂模强度偏低，适用于工件打印；抽壳厚度大，支撑长度短的参数适用于浇注系统及大尺寸工件的打印。

采用3DMEASURINGMICROSCOPEOLS5000测量显微镜，检查了蜡模、3D打印树脂模台阶纹理部位、3D打印树脂模光滑部位的表面三维形貌。图4为不同零件表面图片。从图5、表3可看出，经过放大50倍后，传统蜡模表面呈现细小颗粒状，三维粗糙度为10μm；树脂模台阶纹理部位有明显的条纹感分布，三维粗糙度为14μm；树脂模光面，放大后为细小波纹状，三维粗糙度为4μm，优于蜡模。理论上采用树脂制备的铸件表面质量优于采用蜡模制备的铸件表面质量。由于打印分层的方向性，树脂模不同部位粗糙度有明显差异，在打印工艺设计时，应将台阶纹理表面尽量设置在铸件的加工面，以减少后期铸件表面处理工作量。

燃机叶片树脂模3D打印过程如图6所示。首先采用商用3D打印建模软件MaterialiseMagics对抽壳处理，设置打印壳层厚度，设置内部骨架形状、密度，外部支撑结构形状、尺寸，切片厚度等。模型处理完成后，拷贝至3D打印机电脑即可进行打印。切片厚度最小可为0.03mm。切片越薄，打印精度越高，但是打印时间越长。打印完成后，用铲刀将模型取出来，人工掰掉支撑材料后用酒精清洗表面残留树脂，清洗完成后，送至紫光灯干燥箱二次固化，进一步提高强度。固化时间越长，工件颜色越黄，强度越高。固化完成后进行表面修整。为提高浆料涂挂性，树脂模表面可适当粗糙，因此工人还需做一次砂纸打磨，提高表面粗粗度。图5已经示意出3D打印模型表面本身具有较细密的3D打印分层台阶纹，微观上较为粗糙，能够涂挂浆料。

采用蓝光三维扫描仪扫描了3D打印某型燃机R4模型尺寸（图7）。由于树脂模为透明结构，蓝光能够穿透，因此在扫描之前要进行喷粉处理，喷粉厚度约为0.05mm。扫描仪扫描模式为：点更多；扫描完成后，删除多余数据，生成网格，导入理论模型后，采用预对齐匹配网格数据。

从图8可看出，叶片整体尺寸范围在±0.15mm内，尺寸精度高于常规蜡模。在原型机的开发过程中，铸件的高精度对于验证设计有着至关重要的作用，因此，原型机叶片树脂模尺寸精度越高越好。

6.1 面层浆料涂挂性试验

面层制备是燃机高温叶片制壳最关键的工序，面层制备的质量直接决定最终铸件的表面质量。打印出立方体及叶片树脂模，开展了面层涂挂性试验。未采用蜡模清洗剂对树脂模表面进行清洗。从图9可看出，面层浆料与立方体树脂模及叶片树脂模润湿线平直，说明树脂模与面层浆料润湿性及涂挂性优良，这与树脂模表面细微的条状纹理结构有关。

6.2 实心树脂模制壳试验

由于叶片排气边结构较薄，一般为1mm左右，无法在3D打印建模的时候生成空心结构，树脂模实心部分可能因热膨胀导致型壳开裂，为此设计了制壳试验。取叶片树脂模实心部分，制壳8层，封浆干燥后，放入800℃残蜡焙烧炉闪烧，闪烧时型壳发生膨胀，产生较大的裂纹（图10），因此应尽量避免树脂模实心结构。

6.3 树脂模焙烧试验

采用热重仪测试了铸造树脂的热重曲线，加热温度至1000℃。从热重曲线（图11）可看出焙烧温度至500℃时，重量不再发生变化，说明焙烧基本完成；常规的型壳焙烧温度一般在800℃以上，足够树脂模充分焙烧。图12展示出了型壳脱蜡后，树脂模焙烧后残留的灰分，质地蓬松无粘附，经过水洗即可完全去除，不会对铸件产生不良影响。

3D打印树脂模内腔为空心结构，整体强度比蜡模要低。在与浇注系统之间连接时，首先在树脂模表面每隔1cm打1小孔，在焊接时，即可与蜡模之间形成嵌套结构，提高粘结强度。3D打印树脂模表面由于树脂的残留很容易形成很多尖角结构，这些结构极易造成制壳后造成脱蜡开裂。因此，在组模前，对3D打印树脂模所有尖角部位进行打磨，使其圆滑过渡。同时，为了防止树脂模的小R角部位导致的后期脱蜡开裂，在锐边部位涂覆低温中介物[5]，在脱蜡时，低温中介物熔化渗入型壳，为树脂模的膨胀提供了空间，能够有效避免该部位陶瓷型壳的开裂。

与蜡模的实心结构相比，3D打印树脂模为空心结构，里面全是空气，在组模完成后，空气被困在了树脂模内部。在脱蜡时，树脂模内部空气受热膨胀，直接导致型壳开裂。为避免此问题发生，采用了空心的辅助脱蜡口[6]，将其粘贴在树脂模表面，在脱蜡前，将辅助脱蜡口表面的型壳清理掉，并沿着空心内壁打通树脂模壁，使得树脂模内外连通，在脱蜡时，内外压力平衡，进而减少了型壳开裂。

由图13可看出，采用3D打印树脂模，由于模型表面微观上有很多打印台阶，因此面层浆料涂挂性较好，面层浆料在模型表面铺展性较好，浆料在模型表面无明显堆积，没有涂挂不上的部位。通过3D打印树脂模获得了面层质量较高的型壳，浇注成型的铸件如图13（c）所示。铸件表面手摸光滑。采用ATOS蓝光扫描仪扫描了该铸件尺寸，铸件叶身主体尺寸在-0.20～+0.25mm范围，完全满足铸件技术要求。

（1）树脂模叶片尺寸精度高，能够较好满足原型机高温叶片工艺开发需求，采用熔模精密铸造成型后得到的铸件尺寸优良。

（2）树脂模表面粗糙度较低，光面部位粗糙度优于蜡模，表面具有细密条纹结构，使得面层浆料的润湿性及覆盖性较好，可满足熔模铸造制壳的需求。

（3）树脂模抽壳厚度、支撑长度与其抗压强度直接相关，通过控制抽壳厚度、支撑长度等参数可得到不同强度的树脂模，满足不同应用场景的树脂模打印需求。

（4）在修整组装时，尽量增大树脂模边线R角，在实心部位涂覆低熔点中介物，可保证树脂模制备的型壳在脱蜡时不开裂。