选区激光熔化制造燃气轮机叶片的设计与开发：概念验证研究！

今天分享的文章是《Investigation on Designing and Development of a Selective Laser Melting Manufactured Gas Turbine Blade—Proof-of-Concept》（选区激光熔化制造燃气轮机叶片的设计与开发：概念验证研究)。

这篇文章主要关注的是：当涡轮叶片真正加入细小内部冷却通道以后，现有SLM工艺还能不能把设计完整地制造出来？ 作者从叶片设计、成形方向选择、实际打印一直做到尺寸精度、表面质量和无损检测，最终发现叶片主体能够较好成形，但0.5 mm级冷却孔以及薄壁尾缘已经明显触及当前设计与工艺的可制造性边界。

作者: Mihaela Raluca Condruz, Tiberius Florian Frigioescu, Gheorghe Matache, Adina Cristina Toma, Teodor Adrian Badea

期刊：Inventions

DOI: https://doi.org/10.3390/inventions10030036

引用本文:

[1] Condruz M R, Frigioescu T F, Matache G, et al. Investigation on Designing and Development of a Selective Laser Melting Manufactured Gas Turbine Blade—Proof-of-Concept[J]. Inventions, 2025, 10(3): 36.

01

论文摘要

本文设计了一种带有内部冷却通道的概念性燃气轮机叶片，并采用选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）进行制造。作者首先通过软件模拟比较不同成形方向，结果表明，虽然竖直打印需要更长时间，但能够减少支撑材料使用并降低零件变形风险，因此被选为最终制造方向。研究分别制造了完整叶片模型和叶片剖切模型，并通过3D激光扫描评价尺寸精度，通过表面粗糙度测量分析打印表面状态，同时采用液体渗透检测检查裂纹、孔洞和未熔合等表面开口缺陷。

结果显示，叶片主体的尺寸偏差处于SLM金属零件可接受范围，表面粗糙度也与已有金属增材制造结果相近，液体渗透检测未发现明显表面开口型裂纹、孔洞和未熔合。然而，前缘和尾缘的0.5 mm冷却通道没有按照设计完整成形：前缘孔径明显缩小，并存在被未熔粉末堵塞的风险；尾缘由于局部厚度不足，部分通道甚至形成了长条形开口。因此，本文最终验证的是：SLM具备制造带复杂内冷结构叶片的潜力，但内部冷却通道必须按照增材制造的真实工艺能力重新设计。

02

内容速览

1.

研究背景

随着燃气轮机不断提高涡轮进口温度，高温材料、热障涂层和叶片冷却技术都需要同步发展。对于高压涡轮叶片，内部冷却结构已经成为维持热端部件可靠服役的重要手段，而这类复杂内冷叶片传统上主要依靠熔模铸造制造。

近年来，金属增材制造开始用于复杂涡轮部件开发。已有研究表明，Siemens 已制造并验证带冷却通道的涡轮叶片，Avio Aero开展了TiAl静子叶片增材制造研究，ORNL等也完成了Inconel 738LC涡轮叶片的增材制造与质量评价。这些工作说明，增材制造复杂叶片整体结构已经具备一定可行性.

但对带内部冷却结构的叶片来说，真正困难的不只是“把叶片打印出来”。小尺寸冷却孔、薄壁区域、封闭流道、支撑去除以及残余粉末清理都会受到工艺能力限制，制造后的实际结构也可能偏离CAD设计。增材制造零件进一步走向工程应用，还需要解决尺寸一致性、缺陷控制和质量认证等问题。

因此，本文没有把重点放在冷却性能优化，而是首先回答一个更基础的问题：带复杂内部冷却通道的涡轮叶片，在现有SLM工艺下究竟能制造到什么程度？ 作者通过概念设计、成形方向优化、实际打印和无损检测，重点评估SLM制造这类结构时的工艺能力与几何边界。

2.

文章结构

2. 材料与方法

2.1 涡轮叶片概念模型设计

2.2 SLM制造

2.3 表面质量与尺寸的无损评估

3. 结果与讨论

4. 结论

3.

研究思路

文章首先按照面向增材制造设计（DfAM）原则建立叶片和内部冷却结构，再比较不同成形方向对支撑量、变形风险和制造时间的影响。确定制造方案后，作者实际打印完整叶片和剖切模型，并通过3D扫描、粗糙度和液体渗透检测评价制造质量。

更重要的是，当0.5 mm冷却孔出现制造问题后，作者又将孔径增大到 1 mm 重新制造。全文因此形成了一条很典型的工程迭代路线：设计 → 可制造性评估 → 实际制造 → 检测 → 暴露问题 → 修改设计 → 再制造。

5.

叶片与制造方案的关键设置

概念叶片的外形参考了 CFM56发动机一级高压涡轮叶片，但内部冷却结构由作者重新设计，因此并不是实际CFM56叶片内部结构的完整复刻。作者首先建立实体叶片模型，再加入纵向内部流道以及前缘、尾缘的小尺寸冷却通道。

其中，前缘设置了一排 20个直径0.5 mm的冷却通道，孔间距2 mm；尾缘设置三排同样为 0.5 mm直径的通道，间距为3 mm。这些小通道进一步与叶身内部较大的纵向冷却通道连通。

实际制造采用 Ti-6Al-4V 粉末，而不是传统高压涡轮叶片常用的镍基高温合金。作者明确说明，这项工作属于proof-of-concept，主要验证结构和制造方法；后续才计划进一步采用Inconel 718等镍基高温合金研究。

因此，本文验证的是可制造性，不是实际高温服役能力。

03

图文解读

注：为便于理解研究脉络，以下图片按解读顺序重新编排，图号与原文不一一对应，原文图号已另行标注。

图1

成形方向首先决定支撑、变形和内部通道的制造难度

来源：原文 Fig. 3、Fig. 4、Fig. 5。

Fig. 3直接展示了叶片内部流道：叶身中布置了多条纵向大通道，前缘和尾缘则进一步加入大量细小冷却孔。对SLM来说，真正困难的不只是复杂外形，而是封闭内腔如何避免内部支撑，同时保证打印后的粉末能够排出。

因此，作者在制造前比较了竖直和水平两种成形方向。Fig. 4中的橙色区域是软件自动生成的支撑，可以看到水平放置时，叶身下方需要大面积支撑，而竖直放置后支撑主要集中在叶根和平台附近。Fig. 5进一步比较支撑量、变形倾向和制造时间，结果显示：竖直打印虽然时间更长，但支撑更少、变形风险更低，而且内部冷却通道不需要额外加入大量支撑，因此被选为最终方案。

这里体现了增材制造中很典型的权衡：打印最快的方向，不一定是最容易获得合格零件的方向。 对带复杂内腔的叶片来说，内部支撑能不能清除，往往比单纯减少制造时间更重要。

图2

0.5 mm冷却孔直接暴露了前缘和尾缘的可制造性边界

来源：原文 Fig. 9。

Fig. 9是全文最关键的一张结果图。前缘原本设计的冷却孔直径为 0.5 mm，但实际制造后孔径明显小于设计值，并存在附着粉末和未熔粉末堵塞的风险；尾缘问题更加明显，由于局部厚度太小，原本应该形成封闭圆孔的位置直接演变成了长条形开口。

作者认为，小尺寸封闭区域中的局部热积累是重要原因之一。0.5 mm通道周围散热能力有限，容易造成熔池温度升高、局部过熔和熔池边界扩展；邻近扫描残余热还可能使通道内部粉末发生黏附、局部烧结或团聚，进一步减小有效流通尺寸。

所以这张图实际上说明了一个很典型的DfAM问题：CAD里的0.5 mm圆孔，并不意味着打印以后还能得到一个有效直径为0.5 mm的圆孔。对于内部冷却结构，设计尺寸、打印后的实际几何尺寸和最终有效流通尺寸必须分开考虑。

图3

叶片主体尺寸精度可接受，但薄壁和低约束区域更容易变形

来源：原文 Fig. 10、Fig. 11。

作者采用3D激光扫描，将SLM实物与原始CAD模型进行重合比较。彩色偏差图反映了打印后的实际表面相对于理论几何的正负尺寸偏差，其中完整叶片和剖切模型表现出了明显不同的尺寸稳定性。

完整叶片大部分区域的尺寸偏差低于 ±0.100 mm，少数区域在±0.135 mm以内；叶尖和平台局部存在低于约 +0.250 mm 的正偏差，作者认为这些位置可以通过后续机械加工去除余量。

剖切模型的偏差则明显增大，约为 −0.330～+0.250 mm，其中较大的负偏差主要集中在薄壁叶身区域。作者将其与剖切后结构刚度下降，以及成形过程中产生的收缩和热变形联系起来。

因此，从宏观几何精度看，SLM能够满足这项概念验证需求，但局部壁厚和结构约束仍然直接影响尺寸稳定性。

图4

体表面质量基本正常，但内部通道仍是独立的制造问题

来源：原文 Fig. 12、Fig. 13。

作者进一步测量了打印态叶片的表面粗糙度。完整叶片不同位置的平均 Ra约为11.31～15.51 μm，剖切模型吸力面的Ra约为 11.00～12.69 μm，整体处于文献中典型金属SLM原始表面的范围。

液体渗透检测没有发现明显的表面开口裂纹、孔洞或未熔合缺陷，说明叶片主体在当前参数下能够保持较好的表面完整性。

不过，这一结果不能进一步解释成“叶片内部完全无缺陷”。液体渗透检测主要针对与表面连通的缺陷，也不能证明封闭冷却通道已经完全畅通。事实上，前面的实物观察已经发现小孔缩径和粉末堵塞风险。因此，这里更准确的结论是：叶片主体能够稳定成形，但内部功能通道仍然是另一层制造难题。

图5

孔径增大到1 mm后前缘有所改善，但尾缘问题仍然存在

来源：原文 Fig. 14、Fig. 15。

发现0.5 mm冷却孔制造效果不理想后，作者直接修改模型，将前缘和尾缘冷却通道的设计直径从 0.5 mm提高到1 mm，随后重新进行制造试验。这个步骤使文章真正形成了“制造结果反向修正设计”的闭环。

结果显示，前缘通道的完整性有所改善，但即使设计直径已经增加到 1 mm，实际得到的孔径仍只有约 0.5 mm。这说明小尺寸通道在SLM制造中存在明显的负尺寸偏差，后续设计需要考虑专门的尺寸补偿。

尾缘则更加典型：即使孔径扩大到1 mm，原有制造问题仍然存在，同时叶尖最后三个冷却通道还出现了未熔粉末堵塞。

这意味着尾缘的问题已经不能简单归结为“孔径太小”。真正需要重新考虑的是局部壁厚、通道位置和整体尾缘几何之间的匹配关系。换句话说，有些问题可以通过尺寸补偿解决，有些问题则必须重新设计结构本身。

回看全文，这篇文章形成了一条很完整的工程验证路线：叶片与内部冷却结构设计 → 成形方向优化 → SLM实物制造 → 尺寸与表面质量检测 → 发现0.5 mm冷却孔问题 → 将孔径增至1 mm → 再制造验证。 最终结果表明，叶片主体和较大的内部结构能够通过SLM较好成形，竖直方向在减少支撑和降低变形风险方面更有优势，整体尺寸精度也处于合理范围；但小尺寸封闭冷却通道仍然是决定设计能否真正落地的关键瓶颈。

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来自：精铸博士