CN110788279A - 一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密铸造应用技术领域，具体公开了一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法，包括以下步骤：步骤一、设计三维数字化模型。步骤二、设计铸件蜡模的底盘、叶片铸件、选晶器结构的接口。步骤三、将步骤一中的三维模型转换为STL格式，然后得到光固化3D打印机用数据，最后使用基于面曝光法的光固化3D打印机机。步骤四，将浇注系统蜡模、3D打印的选晶器原型、叶片蜡模组合。步骤五，将步骤四所述组合后的蜡模进行脱蜡，焙烧，清灰，裂纹检查，得到单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳。本发明的有益效果在于：1、采用3D打印技术制造选晶器，缩短工艺开发周期，简化工艺流程；2、采用3D打印技术制造选晶器结构，可实现不同叶片选晶器的定制化。
Description
技术领域
本发明属于精密铸造应用技术领域，具体涉及一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法。
背景技术
高温合金是航空发动机及重型燃气轮机热端零部件广泛采用的材料，其中，单晶高温合金由于具有优秀的承温能力而被用于制造热端关键件—涡轮叶片。单晶高温合金涡轮叶片一般通过定向凝固熔模精密铸造进行成形，单晶涡轮叶片熔模铸造采用的陶瓷模壳主要结构包括浇注系统、中柱、叶片铸型、选晶器，其制造工艺主要包括型芯制造、蜡模制造、组模、挂浆淋砂、脱蜡、焙烧等步骤。在陶瓷模壳的制造过程中涉及到叶片及选晶器蜡模金属模具制备等前期生产准备工作；并且叶片及选晶器的三维结构复杂，模具制造难度大；因此该方法的生产准备周期长且成本高，在叶片工艺开发过程中，无法做到对研制需求的快速响应。目前，将增材制造技术（3D打印）与精密铸造结合是一种解决复杂结构零件铸造成形的新型工艺路线。
增材制造技术是一种融合信息、材料、机械等多学科发展起来的先进制造技术，通过材料逐层累加成型实体零件，适合复杂结构零件的小批量生产，能够节约大量生产准备时间及成本。通过3D打印成形的树脂或塑料原型，可用于制造精密铸造用的蜡模，3D打印的树脂或塑料原型作为熔模铸造的蜡模时，无法通过常规蒸汽脱蜡的方法来去除，需要高温烧失，在此过程中，由于树脂或塑料热膨胀系数较陶瓷模壳材料的大，因此会造成烧失过程中陶瓷型壳的涨裂。
对于普通铸件而言，对模壳的散热要求不高，可以采用提高陶瓷模壳的厚度来提高模壳的强度，然而单晶高温合金涡轮叶片需要精确控制冶金组织，要求较小的模壳壁厚，以增强散热，并提高模壳的退让性。另外3D打印的蜡模通常在尺寸精度及表面质量上不如传统压蜡工艺的蜡模，严重影响铸件的整体质量，因此将3D打印成形的树脂或塑料原型直接作为熔模铸造的蜡模，目前无法在单晶叶片的生产中得到广泛应用。
然而，将增材制造技术与传统的蜡模技术部分结合，可为高质量的叶片铸件提供可能的技术途径。一般而言，单晶叶片的冶金组织是在定向凝固的过程中采取选晶法控制晶体的生长来获得。金属晶体生长过程中，通过选晶器这种特殊的工艺结构后，会在叶片部分生长为特定取向的单晶体，选晶器部分的金属在后续加工过程中会被切除。在工艺实验过程中，需要对选晶器的结构及工艺进行一定的调整，如果采用传统压蜡的方法制备选晶器蜡模，则需要多套选晶器蜡模模具，存在生产成本高，周期长的问题。因此，可将3D打印的原型仅用于制备选晶器部分的特殊结构，此方法可避免直接全部使用3D打印原型造成的型壳涨裂的问题，并可保证叶片铸件的精度及表面质量符合常规工艺的要求。此方法可大大简化单晶叶片选晶器的制备流程，缩短工艺开发周期，进一步加快叶片的试制效率。
基于上述问题，本发明提供一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法，利用3D打印技术快速成型复杂结构的优势，制备单晶叶片蜡模的选晶器结构，结合传统蜡模方法制备陶瓷模壳，用于单晶高温合金涡轮叶片的研制，降低研发成本，缩短研发周期。
技术方案：本发明提供一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法，包括以下步骤：步骤一、根据铸造工艺要求设计选晶器结构的三维数字化模型。步骤二、根据选晶器结构设计铸件蜡模的底盘、叶片铸件、选晶器结构的接口。步骤三、首先将步骤一中的三维模型转换为STL格式，对STL格式文件进行处理，分层厚度不高于100μm-120μm，对选晶器结构进行抽壳处理，抽壳厚度为2mm-4mm，然后再添加支撑结构并确定原型在成型机中的摆放位置，得到光固化3D打印机用数据，最后使用基于面曝光法的光固化3D打印机机，采用铸造专用光敏树脂，进行选晶器结构的3D打印成形，并采用超声雾化覆膜方法将所制备的选晶器结构表面喷涂35质量分数的聚乙烯蜡乳液。步骤四，将浇注系统蜡模、3D打印的选晶器原型、叶片蜡模组合。步骤五，将步骤四所述组合后的蜡模进行脱蜡，焙烧，清灰，裂纹检查，得到单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳。
本技术方案的，所述步骤一中设计选晶器结构的具体方法如下，首先对于叶片铸件整体长度在100mm以下的选用C型选晶器，整体长度大于100mm的选用螺旋形选晶器，其中，C型选晶器的主要结构参数为螺距，螺旋形选晶器的主要结构参数为螺旋升角，C型选晶器的螺距选择范围为15-40°，螺旋选晶器的螺旋升角选择范围为15-40°；然后按照铸造工艺要求确定模壳总体结构、浇注系统、选晶系统、铸型壁厚的基本参数，使用三维CAD建模软件进行铸件的建模，再使用ProCAST有限元模拟软件分析在6 mm/min的抽拉速率下，对不同技术参数的选晶器结构部分进行温度场及CAFE晶体生长模拟分析；最后根据模拟结果的晶粒取向角度偏差及工艺时间，选择晶粒取向偏差小并且工艺时间短的选晶器结构参数设计选晶器。
本技术方案的，所述步骤二中选晶器接口结构为凹凸配合结构。
本技术方案的，所述步骤四中3D打印的选晶器原型与叶片蜡模通过接口结构机械组合，并在接口处涂覆40%质量分数的聚乙烯蜡乳液，使接口光滑。
本技术方案的，所述步骤五中对陶瓷模壳进行焙烧的具体方法如下，首先将脱蜡后的模壳置入工业酒精中，使工业酒精的液位没过3D打印的树脂选晶器，浸泡10分钟使其略微软化，然后置于干燥箱内在40～50℃温度范围内保温30～60分钟，使残留的工业酒精挥发，最后在高温烧结炉内500～1000℃的温度下保温2～4小时完全脱除树脂并烧结模壳。
与现有技术相比，本发明的一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法的有益效果在于：1、采用3D打印技术制造选晶器，结合传统蜡模技术制造叶片蜡模及蜡型的其他组件，可直接制备出满足要求的高精度陶瓷模壳，缩短工艺开发周期，简化工艺流程；2、采用3D打印技术制造选晶器结构，提高了选晶器的设计柔性，拓宽了选晶器的选择范围，并可根据凝固工艺选择选晶器的结构参数，可实现不同叶片选晶器的定制化。
附图说明
图1是本发明的一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法所生产的涡轮叶片陶瓷模壳蜡型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明的一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法，包括以下步骤：步骤一、根据铸造工艺要求设计选晶器结构的三维数字化模型。步骤二、根据选晶器结构设计铸件蜡模的底盘、叶片铸件、选晶器结构的接口。步骤三、首先将步骤一中的三维模型转换为STL格式，对STL格式文件进行处理，分层厚度不高于100μm-120μm，对选晶器结构进行抽壳处理，抽壳厚度为2mm-4mm，然后再添加支撑结构并确定原型在成型机中的摆放位置，得到光固化3D打印机用数据，最后使用基于面曝光法的光固化3D打印机机，采用铸造专用光敏树脂，进行选晶器结构的3D打印成形，并采用超声雾化覆膜方法将所制备的选晶器结构表面喷涂35质量分数的聚乙烯蜡乳液。步骤四，将浇注系统蜡模、3D打印的选晶器原型、叶片蜡模组合。步骤五，将步骤四所述组合后的蜡模进行脱蜡，焙烧，清灰，裂纹检查，得到单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳。
进一步优选的，所述步骤一中设计选晶器结构的具体方法如下，首先对于叶片铸件整体长度在100mm以下的选用C型选晶器，整体长度大于100mm的选用螺旋形选晶器，其中，C型选晶器的主要结构参数为螺距，螺旋形选晶器的主要结构参数为螺旋升角，C型选晶器的螺距选择范围为15-40°，螺旋选晶器的螺旋升角选择范围为15-40°；然后按照铸造工艺要求确定模壳总体结构、浇注系统、选晶系统、铸型壁厚的基本参数，使用三维CAD建模软件进行铸件的建模，再使用ProCAST有限元模拟软件分析在6 mm/min的抽拉速率下，对不同技术参数的选晶器结构部分进行温度场及CAFE晶体生长模拟分析；最后根据模拟结果的晶粒取向角度偏差及工艺时间，选择晶粒取向偏差小并且工艺时间短的选晶器结构参数设计选晶器。及所述步骤二中选晶器接口结构为凹凸配合结构。及所述步骤四中3D打印的选晶器原型与叶片蜡模通过接口结构机械组合，并在接口处涂覆40%质量分数的聚乙烯蜡乳液，使接口光滑。及所述步骤五中对陶瓷模壳进行焙烧的具体方法如下，首先将脱蜡后的模壳置入工业酒精中，使工业酒精的液位没过3D打印的树脂选晶器，浸泡10分钟使其略微软化，然后置于干燥箱内在40～50℃温度范围内保温30～60分钟，使残留的工业酒精挥发，最后在高温烧结炉内500～1000℃的温度下保温2～4小时完全脱除树脂并烧结模壳。
如图1所示为单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法所生产的涡轮叶片陶瓷模壳蜡型的结构示意图，其中，1为浇冒口、2为浇注系统流道、3为铸件部分、4为选晶器部分、5为底盘、6为中柱。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、根据铸造工艺要求设计选晶器结构的三维数字化模型；
步骤二、根据选晶器结构设计铸件蜡模的底盘、叶片铸件、选晶器结构的接口；
步骤三、首先将步骤一中的三维模型转换为STL格式，对STL格式文件进行处理，分层厚度不高于100μm-120μm，对选晶器结构进行抽壳处理，抽壳厚度为2mm-4mm，然后再添加支撑结构并确定原型在成型机中的摆放位置，得到光固化3D打印机用数据，最后使用基于面曝光法的光固化3D打印机机，采用铸造专用光敏树脂，进行选晶器结构的3D打印成形，并采用超声雾化覆膜方法将所制备的选晶器结构表面喷涂35质量分数的聚乙烯蜡乳液；
步骤四，将浇注系统蜡模、3D打印的选晶器原型、叶片蜡模组合；
步骤五，将步骤四所述组合后的蜡模进行脱蜡，焙烧，清灰，裂纹检查，得到单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳。
2.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法，其特征在于：所述步骤一中设计选晶器结构的具体方法如下，首先对于叶片铸件整体长度在100mm以下的选用C型选晶器，整体长度大于100mm的选用螺旋形选晶器，其中，C型选晶器的主要结构参数为螺距，螺旋形选晶器的主要结构参数为螺旋升角，C型选晶器的螺距选择范围为15-40°，螺旋选晶器的螺旋升角选择范围为15-40°；然后按照铸造工艺要求确定模壳总体结构、浇注系统、选晶系统、铸型壁厚的基本参数，使用三维CAD建模软件进行铸件的建模，再使用ProCAST有限元模拟软件分析在6 mm/min的抽拉速率下，对不同技术参数的选晶器结构部分进行温度场及CAFE晶体生长模拟分析；最后根据模拟结果的晶粒取向角度偏差及工艺时间，选择晶粒取向偏差小并且工艺时间短的选晶器结构参数设计选晶器。
3.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法，其特征在于：所述步骤二中选晶器接口结构为凹凸配合结构。
4.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法，其特征在于：所述步骤四中3D打印的选晶器原型与叶片蜡模通过接口结构机械组合，并在接口处涂覆40%质量分数的聚乙烯蜡乳液，使接口光滑。
5.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法，其特征在于：所述步骤五中对陶瓷模壳进行焙烧的具体方法如下，首先将脱蜡后的模壳置入工业酒精中，使工业酒精的液位没过3D打印的树脂选晶器，浸泡10分钟使其略微软化，然后置于干燥箱内在40～50℃温度范围内保温30～60分钟，使残留的工业酒精挥发，最后在高温烧结炉内500～1000℃的温度下保温2～4小时完全脱除树脂并烧结模壳。
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