CN103464690B - 一种单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法，根据单晶涡轮叶片的晶粒取向要求，设计并制造带有特定螺旋选晶器的一体式陶瓷铸型。针对定向凝固制造单晶叶片时，截面突变处(如叶身与缘板交接处)型壳厚度加大，传热能力降低，容易造成杂晶等晶体缺陷的现象，在满足浇铸强度的要求下，通过拓扑优化，设计传热通道，提高铸型传热能力，进而提高定向凝固时固‑液界面前沿的温度梯度，使得整个叶片都能获得良好的单晶组织。

Description

一种单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法

技术领域

本发明属于快速铸造领域，涉及一种单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法。

背景技术

单晶叶片是基于定向凝固技术发展出的一种沿叶身方向完全消除晶界织构的叶片。具有优良的高温抗蠕变、抗热机械疲劳、抗氧化腐蚀性能和较高的承温能力。为了获得高质量的金属单晶体，首先要在金属熔体中形成一个单晶核。目前，在单晶涡轮叶片的制造中，主要采用螺旋选晶器来获得单晶核。螺旋选晶器是在铸件本体的下部设置的一个空腔，它由起晶段和螺旋选晶段组成。以往通过熔模铸造方式制造单晶叶片时，为获得完整的铸造原型，需将螺旋选晶器的蜡模装配到叶片蜡模上，耗费时间，且精度难以保证。所以，发展一种带有螺旋选晶器的单晶涡轮叶片树脂模型一体化制造方法尤为重要，可以很好的解决以往熔模铸造蜡模制作中装配精度低，耗费时间长的缺点。

传统熔模铸造方法中，型壳的制造主要采用多次涂挂的方法，制作出的型壳外形不可控，容易在截面突变处(叶身与缘板交接处)造成型壳厚大的现象。继而降低该处的传热能力，造成杂晶等晶体缺陷。以往为改善陶瓷型壳的导热能力，采用了在叶片型壳榫头上涂石墨层和在厚截面拐角处贴石墨导热体等技术，能较好改善陶瓷型壳的导热性，但增大了型壳制造的难度和成本。所以，利用光固化成型技术，制造带有拓扑传热通道的树脂模壳，进而制造带有拓扑传热通道的铸型，可以在不增加铸型制造难度和成本的前提下，很好的提高铸型截面突变处的传热能力。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法，解决传统单晶涡轮叶片铸型制造中螺旋选晶器装配精度低、晶粒形态难以控制的问题，提高单晶涡轮叶片制造的质量和精度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种去除整体式陶瓷铸型树脂模具的方法，包括以下步骤：

1)根据单晶涡轮叶片晶粒取向的要求，利用铸造有限元软件设计相匹配的螺旋选晶器，包括螺旋选晶段的匝数、相邻螺旋段的距离和起晶器的尺寸；

2)根据带有螺旋选晶器的单晶空心涡轮叶片设计初始铸型，将其导入铸造有限元软件中，进行传热和应力分析；在应力计算过程中，针对应力集中的区域，改变铸型的型壳外壁的形状以消减应力；根据各个时刻热应力分布情况，选择符合热强度、受应力最小的壁厚，以该壁厚为消减应力后初始铸型的均匀壁厚，得到二次铸型；

3)将设计好的二次铸型置于定向凝固的模拟环境中进行传热分析，得到二次铸型的传热规律及温度梯度分布，针对截面突变处，以铸型强度作为初始边界条件，通过拓扑优化，设计传热通道，提高截面突变处的传热能力，形成三次铸型；

4)然后对三次铸型重复传热分析、应力分析和定向凝固模拟分析，并进行修改直到变截面处复合定向凝固的温度梯度要求，并能承受定向晶生长过程中受到的应力，得到定型铸型；

5)将设计好的定型铸型通过光固化快速成型技术制造出树脂原型模具，利用凝胶注模的方法制造单晶涡轮叶片陶瓷铸型。

所述的带有螺旋选晶器的涡轮叶片树脂模型及初始铸型在UG软件中设计构建。

所述带有螺旋选晶器的涡轮叶片树脂模型一体化制造，将设计好的螺旋选晶器CAD模型装配到叶片CAD模型上，应用造型软件对零件的三维模型进行抽壳处理，将实心零件抽为空心，抽壳厚度为0.6-3mm，然后利用光固化快速成型设备制作出带有螺旋选晶器的涡轮叶片树脂原型。

所述的步骤2)中消减应力的形式为钝化型壳外壁的尖锐部分，直到消除应力集中或降低应力集中。

所述二次铸型置于ProCAST软件提供的定向晶生长的模拟环境中进行辐射传热分析，在ProCAST软件中建立预热模型时有以下设置：

3.1)设置铸件和模壳的换热系数为0；

3.2)在模壳表面设置传热边界条件，设置VIEW FACTOR为ON并设定辐射率；

3.3)设置铸件为EMPTY，设置铸件状态为FULL；

通过预热模型完成预热计算后，使用模壳温度分布结果，建立辐射传热分析的计算模型，包括以下设置：

3.4)在预热计算中提取模壳的温度分布状态；

3.5)改变铸件和模壳的0换热系数；

3.6)去除模壳内表面换热边界条件，设置铸件状态为FULL；

在辐射传热分析的计算模型上进行辐射传热分析，在分析时铸件的合金材料参数的推算采用Lever模型，设置VIEW FACTOR为ON，运行参数的设置在辐射传热计算中的Radiation模块设定，辐射扣箱及模壳相对应；

完成辐射传热分析后，得到模壳及铸件的温度分布及传热规律，即温度场分布图；根据温度分布情况和模型进行温度梯度计算，得到温度梯度分布图；并结合热应力场分布情况、温度场分布情况及温度梯度分布情况，进行综合分析，指导铸型设计。

所述的辐射扣箱的移动速率设置为铸件用金属液的凝固速率。

所述设计初始铸型，利用有限元软件进行定向凝固过程中的传热及晶粒组织分析，针对截面突变处陶瓷型壳厚大，传热能力降低，容易造成晶体缺陷，以铸型强度作为初始边界条件，通过拓扑优化，改进铸型结构，设计传热通道，提高该处传热能力。

所述通过光固化快速成型技术制造出树脂原型模具为：

光固化树脂模具的设计在UG软件中完成，基于定型铸型，根据部件的功能和形状确定浇注位置、设计浇冒口；并根据GB/T 6414-1999增加铸造圆角R0.5～1；光固化树脂模具添加浇注外壳，外壳厚1～2mm，并在外壳上添加增强肋片；

在光固化树脂模具设计完成后以STL形式导出，再将STL文件导入Magics软件中抽壳、添加支撑，导出SLC文件；将SLC文件加载到光固化成型机RPbuild软件中，控制光固化成型机自动制备树脂件；

制备完成后，去除树脂件辅助支撑，用酒精清洗树脂原型件2～3次，保证残留液态树脂完全清理干净。

所述凝胶注模方法采用以下方法进行陶瓷浆料的制备：

1)依据光固化树脂模具的容积及陶瓷粉料颗粒的固相含量计算去离子水的体积，然后依次加入有机单体、交联剂和分散剂，搅拌溶解，用浓氨水调节溶液的pH值为10～11，得到有机物浓度为20％的预混液；

2)将陶瓷粉料分批加入预混液中，加入2～3倍质量的磨球，球磨1h左右，获得粘度小于1Pa·S、固相体积分数为58～63vol％的陶瓷浆料；

所述的陶瓷粉料主要包括粒度40μm的粗颗粒氧化铝粉体、粒度2～5μm的细颗粒的氧化铝粉体和粒度2～5μm的细颗粒的氧化镁矿化剂。

所述的凝胶注模的方法制备单晶涡轮叶片陶瓷铸型包括：

1)依次将催化剂及引发剂加入陶瓷浆料，并使其快速均匀分散，接着将树脂原型模具放置于振动注浆机中，振动频率为30Hz～60Hz，注入陶瓷浆料，获得陶瓷素坯；然后在真空下冷冻干燥，使陶瓷素坯中的水分从固态直接转变为气态；

2)然后将陶瓷素坯脱去树脂，脱去树脂后预烧结，预烧结温度<1250℃；预烧结后的陶瓷铸型内部存在一定的灰烬，用压缩空气对陶瓷型壳内的残留灰烬进行清理，压缩空气压力小于2Mpa；

3)最后进行终烧结，烧结温度1350℃～1550℃，获得陶瓷铸型。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法，根据单晶涡轮叶片的晶粒取向要求，设计并制造带有特定螺旋选晶器的一体式陶瓷铸型。针对定向凝固制造单晶叶片时，截面突变处(如叶身与缘板交接处)型壳厚度加大，传热能力降低，容易造成杂晶等晶体缺陷的现象，在满足浇铸强度的要求下，通过拓扑优化，设计传热通道，提高铸型传热能力，进而提高定向凝固时固-液界面前沿的温度梯度，使得整个叶片都能获得良好的单晶组织。

本发明提供的单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法，采用了CAD-CAE技术的一体化设计，做到设计时的一体化；可以通过有限元计算结果指导三维模型数据的修改，例如：单晶涡轮叶片定向凝固有限元计算时，发现铸型截面突变处传热能力低，容易造成晶粒缺陷，可以通过设计传热通道的方式，修改模型，提高模型传热能力。

本发明提供的单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法，还解决了传统铸型在定向凝固时，传热复杂不可控的问题，例如：浇铸时截面突变处传热性能降低，导致该处容易出现杂晶等晶体缺陷的现象。

本发明提供的单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法，也避免了传统型壳制造时，型壳外形不可控的问题，例如：无法在需要加强传热的地方设置传热通道，无法在需要加强型壳强度的地方设置加强筋，本发明方法可以根据分析和实验结果对铸型做适应性的改进。

在基于光固化成型的快速铸造工艺和凝胶注模的陶瓷成型工艺中，本发明方法解决了传统熔模铸造方法制造单晶涡轮叶片存在的装配精度低问题。例如：蜡模制造中，螺旋选晶器蜡模与叶片蜡模装配存在偏差。

本发明提供的单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法，缩短了铸型的设计及制造周期，提升了铸型的性能，大大降低了生产成本。

附图说明

图1为带有螺旋选晶器单晶涡轮叶片设计过程示意图(从左至右：螺旋选晶器设计，单晶涡轮叶片示意图，装配完成后模型示意图)

图2为作为铸件的叶片的示意图；

图3为铸件的浇注系统的示意图；

图4为铸型的三维设计示意图；

图5为型壳热应力随厚度的时间-应力变化，横坐标为时间，纵坐标为应力；

图6为型壳热应力随厚度的时间-热应力变化，横坐标为时间，纵坐标为热应力；

图7为铸件热物性参数(Ni基高温合金K4169)分析图，其中各图中横坐标均为温度，纵坐标分别为固相率、热传导系数、密度和热焓；

图8为变截面处的温度场分布图及高温区示意图(从左至右：变截面处温度场云图，高温区背面示意图，高温区正面示意图)；

图9为变截面所在位置示意图；

图10传热通道分布示意图；

图11最终优化后变截面处温度场分布云图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法，包括以下步骤：

1)根据单晶涡轮叶片晶粒取向的要求，结合铸造有限元软件的计算及实验，设计螺旋选晶器，包括螺旋选晶段的匝数、相邻螺旋段的距离和起晶器的尺寸；

2)根据带有螺旋选晶器的单晶空心涡轮叶片设计初始铸型，将其导入铸造有限元软件中，进行传热和应力分析；在应力计算过程中，针对应力集中的区域，改变铸型的型壳外壁的形状以消减应力；根据各个时刻热应力分布情况，选择符合热强度、受应力最小的壁厚，以该壁厚为消减应力后初始铸型的均匀壁厚，得到二次铸型；

3)将设计好的二次铸型置于定向凝固的模拟环境中进行传热分析，得到二次铸型的传热规律及温度梯度分布，针对截面突变处(叶身与缘板交接处)陶瓷型壳厚大，传热能力降低，容易造成杂晶等晶体缺陷的现象，以铸型强度作为初始边界条件，通过拓扑优化，设计传热通道，提高截面突变处的传热能力，形成三次铸型；

4)然后对三次铸型重复传热分析、应力分析和凝固组织分析，并进行修改直到变截面处复合定向凝固的温度梯度要求，并能承受定向晶生长过程中受到的应力，得到定型铸型；

5)将设计好的定型铸型通过光固化快速成型技术制造出树脂原型模具，利用凝胶注模的方法制造最终铸型。

具体的，对于带有螺旋选晶器的涡轮叶片树脂模型设计，下面给出了某型单晶涡轮叶片树脂模型的设计过程：

根据单晶涡轮叶片晶粒取向的要求，结合铸造有限元软件的计算及实验，设计螺旋选晶器，包括螺旋选晶段的匝数、相邻螺旋段的距离和起晶器的尺寸，利用三维建模软件建模。

根据国家标准GB/T6414-1999《铸件尺寸公差》要求，设计过渡段，将螺旋选晶器三维模型装配至所需制造的涡轮叶片上。

导出STL文件，利用光固化成型工艺制作带有螺旋选晶器的涡轮叶片树脂模型，作为铸造用的原型。某型单晶涡轮叶片树脂模型设计过程如图1所示。

具体的，带有拓扑传热通道的某型涡轮叶片铸型设计过程：

根据图2所示的涡轮叶片的三维模型，叶片高约192.5mm，连接隼根约80mm，隼根最宽处约166mm。并结合顶注式浇注位置设计，考虑将薄壁叶身设置在远离浇冒口的位置这一原则，设计如图3所示的浇注系统。选择顶注式是出于以下考虑：燃气轮机空心涡轮叶片形状复杂，壁薄且不均匀，不合理的浇注系统使叶片产生较多缺陷。底注式浇注系统不易将薄壁结构充型完全，所以选择顶注式浇注位置。

另外，将叶身设置在远离浇冒口位置是出于以下考虑：在定向凝固过程中，铸型先被预热，然后经过真空熔炼的金属液将铸型完全充满，然后移动至定向凝固炉的加热区、绝热区和冷却区进行定向晶体的生长。这样设置浇冒口位置，使得制造的叶片质量较高。

根据铸造工程师手册，设计浇口杯上端直径140mm，下端直径80mm，浇口杯高度50mm。由阻流面积法即Osann公式校核内浇道面积，并利用模数法校核浇冒口尺寸，上述尺寸符合实际浇注要求。

根据图3设计铸型，铸型三维图见图4。在三维软件(如UG软件)中设计初始铸型，此时的铸型壁厚为均匀的。比如选择6mm、9mm、12mm和15mm几种均匀壁厚的型壳进行热应力计算。并在ProCAST软件应力分析模块进行热应力计算。注意，此处的热应力计算为普通热场及应力场计算，并不是定向凝固条件下的计算，原因是金属液的充型在进入定向凝固炉前已经完成。

图5、图6为不同厚度型壳浇冒口处的热应力分析，由图可见，当型壳厚度由15mm减小到9mm时，任一时刻的热应力都随着厚度的减小而降低，而当型壳厚度为6mm时，型壳热应力显著增加，甚至高于15mm厚度型壳的热应力。

其中，图5为热应力随时间的变化图，方块表示厚度为6mm的热应力变化图，为最上一条曲线；圆点表示厚度为9mm的热应力变化图为最下一条曲线；上三角表示厚度为12mm的热应力变化图，为从下数第二条曲线；下三角表示厚度为15mm的热应力变化图，为从下数第三条曲线，表明型壳厚度为9mm的型壳热应力最小。图6中可以看出在各个时刻，厚度为9mm型壳的热应力均为最小。

接着将初始铸型置于定向晶生长的模拟环境(如ProCAST软件)中进行热应力及辐射传热分析。然后将初始铸型导入铸造软件(如ProCAST软件)中进行传热及应力分析，查看各个时刻的热应力分布情况，确定一种符合热强度设计的最优化型壳壁厚。

要完成辐射传热分析，在ProCAST软件中需要先完成预热计算，建立预热模型需要注意：

1)设置铸件和模壳的换热系数为0；

2)在模壳表面设置传热边界条件，设置VIEW FACTOR为ON并设定辐射率；

3)设置铸件为EMPTY。

完成预热计算后，使用模壳温度分布结果，建立辐射传热分析的计算模型，在辐射传热中需要注意：

1)在预热计算中提取模壳的温度分布状态；

2)改变铸件和模壳的0换热系数；

3)去除模壳内表面换热边界条件。由于定向凝固过程中，金属液的充型在真空熔炼炉中完成，此处计算只需要完成传热计算，所以设置铸件状态为FULL。

传热计算中模拟主要的控制点：

1)高温合金材料参数。一般空心涡轮叶片所用的高温合金成分都非常复杂，没有现成的材料参数图可以查看。但是可以根据计算模型进行推算。ProCAST软件中有材料参数数据库和进行推算的计算模型能完成高温合金材料参数推算。高温合金材料参数的推算采用Lever模型。

2)边界条件。在第一步预热计算和第二步辐射传热计算中都要将VIEWFACTOR置于ON状态。

3)运行参数在辐射传热计算中的Radiation模块(RUN PARAMETER)中设定，注意辐射扣箱及模壳相对应。

具体的，在厚度为9mm的均匀壁厚型壳上进行热场分析。热场分析所用到的型壳热物性参数为：热扩散系数1.513±0.002mm2/s，比热为0.784±0.017J/(g·K)，热导率为2.3580.004W/(m·K)。以上热物性参数由LFA447闪光导热仪测定。热场分析所用到的叶片热物性参数可以由ProCAST软件材料数据库计算得到，见图7。

将上述热物性参数输入ProCAST软件进行热场计算。初始条件为叶片金属液温高1600℃，型壳温度为辐射加热1550℃。边界条件为叶片底部施加35℃水冷盘边界，凝固界面处施加35℃冷凝环边界。

在应力计算的过程中查看应力集中的区域，应力集中的存在会使得高温合金复杂结构在定向凝固过程中，型壳出现热裂或金属液冲击出现裂纹等缺陷的发生，为了避免这些缺陷及问题的出现需要将型壳外壁进行消减应力处理。消减应力的形式主要为钝化型壳外壁的尖锐部分。

需要注意的是，定向凝固过程中铸型为辐射加热和散热，在ProCAST计算过程中要添加辐射扣箱。扣箱移动速率一般设置为金属液的凝固速率。

完成上述所有计算后会得到模壳及叶片铸件的温度分布及传热规律，即温度场分布图；根据温度分布情况和模型进行温度梯度计算(ProCAST温度参数计算法)，即温度梯度分布图。结合应力计算的热应力场分布情况，温度场分布情况及温度梯度分布情况，进行综合分析，指导铸型设计。

图8为铸型一次设计时变截面处(叶身与缘板交接处)的温度场分布，可以看出变截面处由于型壳突然增厚，传热能力降低，在叶片内部形成了不均匀的温度场，主要的高温区位于排气边周围(如图8所示高温区域)。不均匀的温度场分布容易在叶片根部造成杂晶等缺陷，进而降低整体叶片的性能(变截面所在位置如图9所示)。

铸型的温度分布除了与铸型及铸件的物性参数有关外，主要取决于铸型的形状。因此为使变截面处取得较为平均的温度场分布，有必要对该处的铸型结构进行拓扑优化。

根据初始铸型的温度场分布规律，针对高温区域进行结构拓扑优化。通过设计垂直于型壳表面的传热通道，达到提高型壳散热能力的目的，具体实施方法：根据温度场分布云图，判定高温区域所在部位，设计传热通道，传热通道的主要调控参数为：通道孔径R，通道深度D和通道间间距G。散热较慢区，增大通道孔径，深度，减小通道间间距，散热较快区，减小通道孔径，深度，增大通道间间距，甚至可以不设计散热通道。然后重复计算，修改传热通道参数，直到整个截面处温度分布均匀，修改二次设计，完成三次设计。以上设计必须在满足铸型强度要求的条件下完成；2、铸型厚度的最小值为根据应力计算得出的铸型厚度。

传热通道具体设计方法为：

取出变截面处温度场云图进行分析，如图8。观察到叶片横截面的拓扑形状为长扁形，并且在长向一边内凹。在散热过程中，位于排气边附件散热较慢，为了保持在同一横截面铸型内温度场保持一致，即在型壳的周向和径向不存在温度梯度，按照温度场计算的分布结果进行拓扑传热通道的设计。针对每个高温区域分别进行传热通道的设计，并对温度场分布进行校核，直至整个截面处完成传热通道设计，最终形成二次设计。

如图8所示，高温区域处于黑框内位置，此处散热较慢，需进行传热通道设计，按照软件计算出的温度分布量度进行传热通道的布置，设计传热通道的孔径R，深度D和间距G，提高该区域的散热能力。设计后的传热通道分布如图10所示。并将修改过的铸型导入到Procast软件中进行传热分析，并进行优化计算。

上述设计方法为变截面处某一高温区域的型壳传热通道拓扑优化设计方法，如要使得整个变截面处满足温度场分布均匀的要求必须按照上述设计、分析方法完成每一区域的设计，设计完成后再次将铸型三维数据导入到Procast软件中进行辐射传热计算，如果未获得理想的温度分布结果，还需要传热通道，重复上述步骤，直到满足温度分布均匀的要求。

获得优化过的铸型厚度后，再次在ProCAST软件中进行应力及一般传热计算，校核型壳强度。

三次铸型设计：

完成二次设计后，将带有传热通道的铸型置于ProCAST软件中进行辐射传热计算。热物性参数、初始条件、边界条件等均不改变。然后进行温度场查看，温度梯度分析，进一步修改传热通道参数，进行三次设计，如图11所示为最终优化后的截面温度场分布，整个截面温度场分布均匀，且叶片内部无明显高温区。

然后重复应力计算及传热计算，修改设计，直到整个变截面处温度场分布均匀，并能承受定向晶生长过程中受到的应力，确定铸型三维设计，即为型壳的最终设计。

完成设计后，基于光固化一体化成型技术，根据最终的铸型设计对光固化原型进行详细设计，并添加必要的辅助工艺结构，如浇注外壳等，制造树脂原型及浇注壳，然后利用凝胶注模的方法制造出符合设计的陶瓷(AL-系)铸型，然后在真空定向凝固炉(三室，包含真空熔炼室，保温室及冷却室)中完成定向凝固高温合金复杂结构，如叶片的定向生长。

具体方法为：使用最终的模壳设计，在UG软件中完成相应的树脂原型及浇注壳设计，接着在光固化成型机中制造出树脂原型及浇注壳；然后调配好符合强度及性能要求的Al-系陶瓷浆料，利用树脂原型及浇注壳铸造陶瓷模壳，经过固化、干燥、预烧结及终烧结等步骤，获得最终的陶瓷铸型实体；最后在真空定向凝固炉中制造单晶涡轮叶片产品。

陶瓷型壳制备的主要控制点：

1)原材料与设备。制备陶瓷铸型所用的原材料必须存放在封闭包装袋或封闭包装桶中，在干燥、通风的环境下保存。制备陶瓷型壳的原材料成分主要包括粗颗粒(40μm)和细颗粒(2～5μm或纳米级)氧化铝粉体、氧化镁矿化剂、去离子水、丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、聚丙烯酸钠(浓度18％左右)、聚乙二醇、过硫酸铵(浓度30％左右)、四甲基己二胺(浓度25％左右)和浓氨水等。所用到的设备主要包括光固化快速成型机(SPS450B)、球磨机、凝胶注模成型机、真空冷冻干燥机和真空压力浸渍机。

2)光固化原型设计及制备。光固化原型的设计在UG软件中完成，根据GB/T 6414-1999增加铸造圆角R0.5～1。基于单晶涡轮叶片的三维造型，根据部件的功能和形状确定浇注位置、设计浇冒口。然后再浇注系统外添加浇注外壳，外壳用于保证陶瓷型壳外形和厚度，为了保证陶瓷浆料充型后整个树脂原型具有足够的强度，树脂外壳厚1～2mm，并在浇注外壳上添加增强肋片，厚1mm，宽3～5mm。在UG软件中完成上述设计后，将数据以STL行驶导出，导出设置三角公差为0.05，相邻公差为0.05，自动法线生成。然后将STL文件导入Magics软件中抽壳、添加支撑，导出SLC文件。将SLC文件加载到光固化成型机RPbuild软件中，控制光固化成型机自动制备树脂件。制备完成后，去除树脂件辅助支撑，用工业酒精清洗树脂原型件2～3次，保证残留液态树脂完全清理干净。注意：叶片原型与浇注外壳分别制造，然后装配到一起，这样做便于清洗树脂原型，并且易于对叶片原型表面进行后处理。

3)陶瓷浆料调配

这一过程首先完成预混液的制备。依据光固化树脂模具的容积及陶瓷粉料颗粒的固相含量计算去离子水的体积，然后依次加入有机单体(丙烯酰胺或其替代物)、交联剂(亚甲基双丙烯酰胺)和分散剂(聚丙烯酸钠)等，搅拌溶解，用浓氨水调节溶液的PH值，保持在碱性范围(10～11)内，最终得到有机物浓度为20％的预混液。然后制备水基陶瓷浆料。将陶瓷粉料分批加入预混液中，加入2～3倍质量的磨球，球磨1.5h以上，获得粘度小于1Pa·S、固相体积分数为58～63vol％的陶瓷浆料。

4)陶瓷铸型的制备

先完成素坯的制作，即依次将催化剂(四甲基己二胺)及引发剂(过硫酸铵)加入陶瓷浆料，并使其快速均匀分散，接着将树脂模具放置于振动注浆机中，振动频率为30Hz～60Hz，注入陶瓷浆料(该过程必须保持陶瓷浆料流动平稳且缓慢，保证浆料中气泡的顺利排出)，获得陶瓷素坯。然后在真空下冷冻干燥。进行冷冻干燥的目的是使素坯中的水分从固态直接转变为气态，这样可以控制陶瓷铸型的收缩率。下一步进行陶瓷铸型的脱脂与预烧结(烧结温度<1250℃)。然后进行多次浸渍(该步非必须，如果陶瓷铸型的强度足够，该步可以省略)。最后，进行终烧结(烧结温度1350℃～1550℃)。注意：预烧结后的陶瓷铸型内部存在一定的灰烬，用压缩空气对陶瓷型壳内的残留灰烬进行清理，压缩空气压力小于2MPa。

获得符合定向凝固要求的陶瓷铸型后，将其置于三室真空定向凝固炉中进行单晶涡轮叶片铸造。

Claims (3)

1.一种单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据单晶涡轮叶片晶粒取向的要求，利用铸造有限元软件设计相匹配的螺旋选晶器，包括螺旋选晶段的匝数、相邻螺旋段的距离和起晶器的尺寸；

2)根据带有螺旋选晶器的单晶空心涡轮叶片设计初始铸型，将其导入铸造有限元软件中，进行传热和应力分析；在应力计算过程中，针对应力集中的区域，改变铸型的型壳外壁的形状以消减应力；根据各个时刻热应力分布情况，选择符合热强度、受应力最小的壁厚，以该壁厚为消减应力后初始铸型的均匀壁厚，得到二次铸型；

3)将设计好的二次铸型置于定向凝固的模拟环境中进行传热分析，得到二次铸型的传热规律及温度梯度分布，针对截面突变处，以铸型强度作为初始边界条件，通过拓扑优化，设计传热通道，提高截面突变处的传热能力，形成三次铸型；

4)然后对三次铸型重复传热分析、应力分析和定向凝固模拟分析，并进行修改直到变截面处复合定向凝固的温度梯度要求，并能承受定向晶生长过程中受到的应力，得到定型铸型；

5)将设计好的定型铸型通过光固化快速成型技术制造出树脂原型模具，利用凝胶注模的方法制造单晶涡轮叶片陶瓷铸型；

带有螺旋选晶器的涡轮叶片树脂模型一体化制造，将设计好的螺旋选晶器CAD模型装配到叶片CAD模型上，应用造型软件对零件的三维模型进行抽壳处理，将实心零件抽为空心，抽壳厚度为0.6-3mm，然后利用光固化快速成型设备制作出带有螺旋选晶器的涡轮叶片树脂原型；

所述的步骤2)中消减应力的形式为钝化型壳外壁的尖锐部分，直到消除应力集中或降低应力集中；

所述二次铸型置于ProCAST软件提供的定向晶生长的模拟环境中进行辐射传热分析，在ProCAST软件中建立预热模型时有以下设置：

3.1)设置铸件和模壳的换热系数为0；

3.2)在模壳表面设置传热边界条件，设置VIEW FACTOR为ON并设定辐射率；

3.3)设置铸件为EMPTY，设置铸件状态为FULL；

通过预热模型完成预热计算后，使用模壳温度分布结果，建立辐射传热分析的计算模型，包括以下设置：

3.4)在预热计算中提取模壳的温度分布状态；

3.5)改变铸件和模壳的0换热系数；

3.6)去除模壳内表面换热边界条件，设置铸件状态为FULL；

在辐射传热分析的计算模型上进行辐射传热分析，在分析时铸件的合金材料参数的推算采用Lever模型，设置VIEW FACTOR为ON，运行参数的设置在辐射传热计算中的Radiation模块设定，辐射扣箱及模壳相对应；

完成辐射传热分析后，得到模壳及铸件的温度分布及传热规律，即温度场分布图；根据温度分布情况和模型进行温度梯度计算，得到温度梯度分布图；并结合热应力场分布情况、温度场分布情况及温度梯度分布情况，进行综合分析，指导铸型设计；

设计初始铸型，利用有限元软件进行定向凝固过程中的传热及晶粒组织分析，针对截面突变处陶瓷型壳厚大，传热能力降低，容易造成晶体缺陷，以铸型强度作为初始边界条件，通过拓扑优化，改进铸型结构，设计传热通道，提高该处传热能力；

所述通过光固化快速成型技术制造出树脂原型模具为：

光固化树脂模具的设计在UG软件中完成，基于定型铸型，根据部件的功能和形状确定浇注位置、设计浇冒口；并根据GB/T 6414-1999增加铸造圆角R0.5～1；光固化树脂模具添加浇注外壳，外壳厚1～2mm，并在外壳上添加增强肋片；

在光固化树脂模具设计完成后以STL形式导出，再将STL文件导入Magics软件中抽壳、添加支撑，导出SLC文件；将SLC文件加载到光固化成型机RPbuild软件中，控制光固化成型机自动制备树脂件；

制备完成后，去除树脂件辅助支撑，用酒精清洗树脂原型件2～3次，保证残留液态树脂完全清理干净；

所述凝胶注模方法采用以下方法进行陶瓷浆料的制备：

1)依据光固化树脂模具的容积及陶瓷粉料颗粒的固相含量计算去离子水的体积，然后依次加入有机单体、交联剂和分散剂，搅拌溶解，用浓氨水调节溶液的pH值为10～11，得到有机物浓度为20％的预混液；

2)将陶瓷粉料分批加入预混液中，加入2～3倍质量的磨球，球磨1h左右，获得粘度小于1Pa·S、固相体积分数为58～63vol％的陶瓷浆料；

所述的陶瓷粉料主要包括粒度40μm的粗颗粒氧化铝粉体、粒度2～5μm的细颗粒的氧化铝粉体和粒度2～5μm的细颗粒的氧化镁矿化剂。

2.如权利要求1所述的单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法，其特征在于，所述的辐射扣箱的移动速率设置为铸件用金属液的凝固速率。

3.如权利要求1所述的单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法，其特征在于，所述的凝胶注模的方法制备单晶涡轮叶片陶瓷铸型包括：

1)依次将催化剂及引发剂加入陶瓷浆料，并使其快速均匀分散，接着将树脂原型模具放置于振动注浆机中，振动频率为30Hz～60Hz，注入陶瓷浆料，获得陶瓷素坯；然后在真空下冷冻干燥，使陶瓷素坯中的水分从固态直接转变为气态；

2)然后将陶瓷素坯脱去树脂，脱去树脂后预烧结，预烧结温度<1250℃；预烧结后的陶瓷铸型内部存在一定的灰烬，用压缩空气对陶瓷型壳内的残留灰烬进行清理，压缩空气压力小于2Mpa；

3)最后进行终烧结，烧结温度1350℃～1550℃，获得陶瓷铸型。