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案例研究：單體離心式渦輪葉輪

316L不鏽鋼 | SLM | 具3D標記葉片的航空發動機/燃氣渦輪機葉輪

金屬3D打印應用

1. 背景

一家航空發動機零部件供應商正在為小型渦輪噴氣發動機演示器開發高速離心式渦輪級。傳統的焊接葉輪設計在焊縫處出現葉片尖端裂紋，且由於葉片輪廓受焊接夾具限制，導致效率低下。為滿足演示器計畫的耐用性和可追溯性要求，需要一個完全單體的葉輪，具有優化的葉片幾何形狀和直接的3D標識。

2. 挑戰

設計要求包括：

· 60多個徑向葉片，具有完整空氣動力學輪廓，100%單體結構—無焊接葉片根部

· 優化的3D葉片扭轉，實現>88%的級效率

· 材料等級和序列號直接3D打印到輪穀表面（無粘貼標籤，無可被移除的激光標記）

· 在全工作轉速（24,000 rpm）下達到G2.5動平衡

· 316L不鏽鋼，具有高溫抗氧化能力和NDT兼容性

3. 解決方案

葉輪被重新設計為一個單體零件，具有CFD優化的徑向葉片和預標有材料等級和唯一序列號的輪穀表面，然後使用316L不鏽鋼通過選擇性激光熔融（SLM）製造。刀片的后掠角、前缘半径和出口包角经过CFD优化，轮毂则通过拓扑优化实现了刚度与重量的最佳平衡。轮毂面上的3D标记文本与零件一同打印为凸起字符，消除了任何后处理标记工序。打印后，零件在轴孔处进行精加工，动态平衡达到G2.5标准，并在全速下进行了磨合测试。

 

图1：SLM打印的316L涡轮叶轮 - 前视图，显示60+径向叶片和轮毂面上的3D标记材料等级

 

图2：同一叶轮的背面 - 整体式轮毂，无焊接叶片根部，准备进行轴孔精加工

4. 成果

· 88%级效率 - 比传统焊接设计提高8个百分点

· 25%减重 - 通过拓扑优化轮毂实现

· 整体式结构 - 无焊接叶片根部，无疲劳失效模式

· 内置可追溯性 - 材料等级和序列号在同一打印过程中3D打印

· 24,000 rpm下G2.5平衡 - 可直接安装到发动机上

· 交货期：4周 - 从CAD到平衡、磨合测试完成的叶轮

“我们获得了一个具有内置可追溯性和8点效率提升的整体式叶轮。3D列印的文字是零件的一部分——它不會脫落或被磨掉。"

 

材料：316L不鏽鋼  |  工藝：SLM / 金屬3D列印  |  應用：離心式渦輪葉輪