一种基于3D打印的TRT叶片的制备方法与流程

本发明属于trt叶片制造技术领域，涉及一种基于3d打印的trt叶片的制备方法。

背景技术：

高炉煤气余压透平发电装置(blastfurnacetopgasrecoveryturbineunit,简称trt)利用高炉冶炼的副产品-高炉炉顶煤气具有的压力能及热能，使煤气经透平膨胀做功，将其转换成机械能，进而驱动发电机发电的节能产品。该设备既回收了原来在减压阀组浪费的能量，又净化了煤气，且极大改善了高炉炉顶压力的控制品质，经济效益明显。

为获取最大效益，炼钢企业的trt设备均是全天候开机使用(除去检修时间)。但是由于高炉煤气中含有大量的灰尘颗粒、高温饱和水蒸气及因高炉原料不纯而产生的多种酸性气体，即使经过净化装置除尘、除硫等，仍然存在部分残留，最终进入trt装置的是气-汽-固组成的多相流。净化后的高炉煤气进入trt装置后，因膨胀做功，温度逐渐降低，煤气中的酸性气体溶解在凝结水中，会在叶片表面形成一层酸性水膜，对叶片表面透水腐蚀。炉尘在气流带动下，流过金属表面时会产生滑动磨损和直射磨损，导致叶片表面被快速磨损及腐蚀，在此双重作用下，不仅使trt设备输出功率下降，而且极大缩短了叶片寿命，降低了trt设备维修周期。

为提高trt叶片的抗冲刷和耐腐蚀性能，现有方法是采用等离子喷涂技术在trt叶片表面喷涂一层厚度约300-400μm陶瓷、合金或金属材料，使其与叶片工作表面形成附着牢固的表面层，赋予基体表面耐磨、耐蚀、耐高温氧化等性能。经过装机试验，经等离子喷涂的trt叶片在炼钢厂的使用中运行使用，涂层具有优良的抗腐蚀和耐磨损性能，取得了显著效果。但是由于各地炼钢厂的煤气成分各异，在使用过程中发现采用等离子喷涂的叶片虽然较未进行喷涂的叶片使用时间长，但是在使用过程中由于涂层厚度均匀性或封孔原因，涂层局部会产生无规律地损坏、脱落，在涂层脱落部位产生严重的腐蚀和磨损，破坏转子动平衡，导致trt设备停机，影响设备正常使用。

技术实现要素：

针对现有陶瓷涂层工艺存在的问题，本发明提供了一种基于3d打印的trt叶片的制备方法，用于解决trt叶片表面陶瓷层与金属基体结合强度低，涂层厚度不易控制，导致涂层脱落的难题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于3d打印的trt叶片的制备方法，包括以下步骤：

1)根据叶片原始三维数据及技术参数要求，设计金属基体、金属-陶瓷梯度材料过渡层及表面陶瓷层，得到叶片三维模型；

2)对叶片三维模型进行数据处理，输出分层数据，将分层数据导入3d打印机；

3)在零件成形区域完成金属粉末、陶瓷粉末和金属陶瓷混合粉末的铺粉，使粉末表面平整；

4)在零件成形区域喷射粘接剂，使零件成形部位的陶瓷粉末和金属粉末成为一体；

5)工作平台下降一个层厚；

6)重复步骤3)至步骤5)，直至完成整个叶片素坯；

7)将叶片素坯取出，清除表面粉末后，将叶片素坯进行脱脂和预烧结；

8)对叶片素坯表面陶瓷层进行浸渍；

9)通过烧结工艺使金属基体、金属-陶瓷梯度材料过渡层及表面陶瓷层中的固体颗粒相互键连，使叶片致密化，最终获得trt叶片。

进一步，步骤3)中，陶瓷粉末采用氧化锆、氧化铝、氧化硅、碳化硅或碳化硼。

进一步，步骤3)中，金属粉末采用2cr13、0cr17ni4cu4nb、00cr17ni14mo2、1cr18ni12mo2ti或1cr11ni2w2mov。

进一步，步骤3)中，金属粉末、陶瓷粉末和金属陶瓷混合粉末的铺设由多个喷嘴供粉，铺粉完成后由刮刀刮平。

进一步，步骤3)中，金属粉末的粒径为5-53μm，陶瓷粉末粒径为1-100μm。

进一步，步骤5)中，粘接剂采用酚醛树脂、呋喃树脂、尿烷树脂或环氧树脂。

进一步，步骤6)中，层厚为0.05～0.3mm。

进一步，步骤7)中，将叶片素坯进行脱脂和预烧结具体为：将叶片素坯放入烧结炉中升温至550～700℃，保温2小时。

进一步，步骤9)中，烧结工艺采用热等静压工艺、闪烧工艺、放电等离子烧结、微波烧结或电火花烧结工艺。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于3d打印的trt叶片的制备方法，基于3d打印技术成形叶片素坯，结合金属陶瓷梯度材料成形原理，利用粘接剂，实现表面陶瓷层、过渡层和金属基体一次粘接成形，通过逐层累加，表面陶瓷层和金属基层之间通过金属陶瓷材料过渡层结合，最终实现trt叶片金属基体和表面陶瓷层一体化成型，得到叶片素坯；之后将打印完成的叶片素坯放入真空脱脂炉中，升温去除叶片中的粘接剂；然后利用浸渍工艺，对叶片的表面陶瓷层进行浸渍，降低陶瓷材料孔隙率；最后通过烧结工艺使叶片金属基体、过渡层和表面陶瓷层中的固体颗粒相互键连，粉体产生颗粒粘结，使其致密化，提高叶片强度，在烧结过程中实现金属和陶瓷双向原子扩散，结合强度优于热喷涂工艺。相比于trt设备叶片当前制造工艺(先模锻、数控加工、最后喷涂)，采用本发明获得的trt叶片，表面陶瓷层厚度、形状可根据防腐蚀需求设计，分布部位、厚度可控；可实现陶瓷、金属两种材料一体成型，无需复杂的喷涂工艺，实现防腐蚀的要求，使用寿命可达到2年，超过喷涂叶片，提高设备使用周期，降低维护使用成本；可实现小批量复杂形状trt叶片零件的定制化加工。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明利用3d打印工艺快速成形具有表面陶瓷层的trt叶片，包括以下步骤：

1)基于待加工的trt设备叶片三维模型，设计金属基体、金属-陶瓷梯度材料过渡层及表面陶瓷层，金属-陶瓷梯度材料过渡层及表面陶瓷层的厚度为0.5-3.0mm；

2)将多材料的叶片数据模型导入数据处理软件，进行数据处理，输出分层数据，将分层数据导入陶瓷金属多材料3d打印设备中，同时完成陶瓷粉末、金属粉末及粘接剂等材料的准备；

3)利用多个喷头完成每层粉末的铺设，基体、过渡层和表面层按照设计要求铺设相应材料，其余部分铺设陶瓷粉末，并利用带真空吸附功能的刮刀将其刮平，将多余的粉末送入回收罐；

4)利用喷头将粘接剂铺放在零件成形部位，使单层素坯粘接成形，确保本层粉末及相邻层间可靠粘接；

5)工作平台下降一个层厚0.05-0.3mm；

6)重复步骤3)至5)，完成整个叶片素坯的成形；

7)取出trt叶片素坯，将其放入烧结炉中，升温脱脂去除粘接剂，预烧使叶片具有一定强度；

8)采用浸渍方法，使陶瓷颗粒进入叶片表面陶瓷层空隙，降低孔隙率；

9)采用热等静压工艺、闪烧工艺、放电等离子烧结、微波烧结或电火花烧结工艺，使trt叶片材料致密化。

步骤3)中，金属粉末的粒径为5-53μm，陶瓷粉末粒径为1-100μm。

步骤5)中，粘接剂可采用酚醛树脂、呋喃树脂、尿烷树脂或环氧树脂。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

步骤1：根据trt设备动叶片零件三维数据及技术要求，设计金属基体及金属-陶瓷过渡层和表面陶瓷层，过渡层厚度1.5mm，表面陶瓷层厚度为1.0mm；

步骤2：三维数据文件处理。将设计完成的多材料叶片数据导入数据处理软件中，进行分层处理，并区分金属、陶瓷及两者之间的梯度材料，导出处理后的分层数据；

将分层数据导入3d打印机，同时完成碳化硅陶瓷粉末、2cr13粉末及呋喃树脂粘接剂的准备，碳化硅陶瓷粉末d50为25μm，2cr13粉末d50为20μm；

步骤3：在系统控制下，根据叶片结构要求，利用多喷头在成形区域完成2cr13粉末、碳化硅陶瓷粉末、及两者混合粉末的铺粉，其余区域铺放陶瓷粉，利用具备真空吸附功能的刮刀将粉末刮平，将多余的粉末送入回收罐；

步骤4：然后利用粘接剂喷头在成形区域喷射呋喃树脂，确保成型层及相邻层可靠粘接；

步骤5：工作平台下降0.05mm；

步骤6：重复步骤3至步骤5，完成整个叶片素坯成形；

步骤7：将成形后的叶片素坯放入烧结炉中逐步升温至650℃，保温2小时进行脱脂烧结和预烧结，完成脱脂及叶片素坯的预烧。

步骤8：对经过预烧的trt叶片进行浸渍；

步骤9：利用热等静压工艺，使经过预烧和浸渍的叶片素坯致密化。

实施例2

步骤1：根据trt设备动叶片三维数据模型及其技术要求，设计表面陶瓷层、中间过渡层及金属基体的三维模型，过渡层厚度2.5mm，表面陶瓷层厚度为1.2mm；

步骤2：将设计的多材料叶片三维模型导入数据处理软件，区分不同区域材料，进行数据处理；

将分层数据导入多材料3d打印设备，同时完成氧化锆陶瓷粉末和0cr17ni4cu4nb金属粉末及酚醛树脂粘接剂的准备，氧化锆陶瓷粉末d50为15μm，0cr17ni4cu4nb金属粉末d50为20μm；

步骤3：在系统控制下，多喷头在成型区域铺放氧化锆陶瓷粉末和0cr17ni4cu4nb金属粉末，其余区域铺氧化锆陶瓷粉，利用刮刀将粉末刮平，去除多余的粉末送入回收罐；

步骤4：利用喷嘴在零件成形部位铺放酚醛树脂，确保单层粉末间及相邻层的可靠粘接；

步骤5：工作平台下降0.10mm；

步骤6：循环进行步骤4至6，完成叶片的素坯成型；

步骤7：将叶片素坯从3d打印设备中取出，放入焙烧炉中逐步升温至600℃，保温2小时进行脱脂烧结和预烧结；

步骤8：将经过预烧的trt动叶片浸入氧化锆陶瓷浆料中进行浸渍；

步骤9：将浸渍后的叶片坯体干燥后放入烧结炉中，利用微波烧结工艺使其致密化。

实施例3

步骤1：根据trt设备动叶片零件三维数据及技术要求，设计金属基体及金属-陶瓷过渡层和表面陶瓷层，过渡层厚度3.0mm，表面陶瓷层厚度为1.8mm；

步骤2：三维数据文件处理。将设计完成的多材料叶片数据导入数据处理软件中，进行分层处理，并区分金属、陶瓷及两者之间的梯度材料，导出处理后的分层数据；

将分层数据导入3d打印机，同时完成氧化铝陶瓷粉末、00cr17ni14mo2粉末及呋喃树脂粘接剂的准备；

步骤3：在系统控制下，根据叶片结构要求，利用多喷头在成形区域完成00cr17ni14mo2粉末、氧化铝陶瓷粉末、及两者混合粉末的铺粉，其余区域铺放氧化铝陶瓷粉，利用具备真空吸附功能的刮刀将粉末刮平，将多余的粉末送入回收罐，氧化铝陶瓷粉末d50为10μm，00cr17ni14mo2粉末d50为15μm；

步骤4：然后利用粘接剂喷头在成形区域喷射呋喃树脂，确保成型层及相邻层可靠粘接；

步骤5：工作平台下降0.15mm；

步骤6：重复步骤3至步骤5，完成整个叶片素坯成形；

步骤7：将成形后的叶片素坯放入焙烧炉中逐步升温至600℃，保温2小时进行脱脂烧结和预烧结，完成脱脂及叶片素坯的预烧。

步骤8：对经过预烧的trt叶片进行浸渍；

步骤9：利用微波烧结工艺，使经过预烧和浸渍的叶片素坯致密化。

实施例4

步骤1：根据trt设备静叶片零件三维数据及技术要求，设计金属基体及金属-陶瓷过渡层和表面陶瓷层，过渡层厚度2.2mm，表面陶瓷层厚度为1.0mm；

步骤2：三维数据文件处理。将设计完成的多材料叶片数据导入数据处理软件中，进行分层处理，并区分金属、陶瓷及两者之间的梯度材料，导出处理后的分层数据；

将分层数据导入3d打印机，同时完成碳化硼陶瓷粉末、1cr18ni12mo2ti粉末及尿烷树脂粘接剂的准备；

步骤3：在系统控制下，根据叶片结构要求，利用多喷头在成形区域完成1cr18ni12mo2ti粉末、碳化硼陶瓷粉末、及两者混合粉末的铺粉，其余区域铺放氧化铝陶瓷粉，利用具备真空吸附功能的刮刀将粉末刮平，将多余的粉末送入回收罐；碳化硼陶瓷粉末d50为40μm，1cr18ni12mo2ti粉末d50为25μm；

步骤4：然后利用粘接剂喷头在成形区域喷射尿烷树脂，确保成型层及相邻层可靠粘接；

步骤5：工作平台下降0.15mm；

步骤6：重复步骤3至步骤5，完成整个叶片素坯成形；

步骤7：将成形后的叶片素坯放入焙烧炉中逐步升温至700℃，保温2小时进行脱脂烧结和预烧结，完成脱脂及叶片素坯的预烧；

步骤8：对经过预烧的trt叶片进行浸渍，降低孔隙率；

步骤9：利用微波烧结工艺，使经过预烧和浸渍的叶片素坯致密化。

实施例5

步骤1：根据trt设备静叶片三维数据模型及其技术要求，设计具备防腐蚀和冲刷作用的表面陶瓷层、中间过渡层及金属基体的三维模型，过渡层厚度2.5mm，表面陶瓷层厚度为1.2mm；

步骤2：将设计的多材料叶片三维模型导入数据处理软件，区分不同区域材料，进行数据处理；

将分层数据导入陶瓷金属多材料3d打印设备，同时完成氧化硅陶瓷粉末和1cr11ni2w2mov金属粉末及酚醛树脂粘接剂的准备，氧化硅粉末d50为15μm，1cr11ni2w2mov金属粉末d50为35μm；

步骤3：在软件控制下，多喷头逐层铺放氧化硅陶瓷粉末和1cr11ni2w2mov金属粉末，利用刮刀将粉末刮平，去除多余的粉末；

步骤4：利用喷嘴在零件成形部位铺放酚醛树脂，完成单层成型；

步骤5：工作平台下降0.1mm；

步骤6：循环进行步骤4至6，完成金叶片的素坯成型；

步骤7：将多材料叶片素坯从3d打印设备中取出，放入焙烧炉中逐步升温至650℃，保温2小时进行脱脂烧结和预烧结，完成脱脂及叶片素坯的预烧；

步骤8：对经过预烧的trt叶片进行浸渍，降低孔隙率；

步骤9：将浸渍后的叶片坯体放入烧结炉中，利用微波闪烧烧结工艺使其致密化。

本发明基于3d打印工艺，可以用于要求防腐蚀强的机械零件，包括但不限于叶轮机械动叶片、静叶片。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。