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CN113461412A - 一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型及其制备方法和应用 - Google Patents

一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型及其制备方法和应用 Download PDF

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CN113461412A CN202110714966.1A CN202110714966A CN113461412A CN 113461412 A CN113461412 A CN 113461412A CN 202110714966 A CN202110714966 A CN 202110714966A CN 113461412 A CN113461412 A CN 113461412A
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Abstract

本发明公开了一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：步骤1，构建型芯型壳一体化三维模型；步骤2，基于型芯型壳一体化三维模型进行3D打印，获得型芯型壳一体化铸型的模型；步骤3，通过型芯浇口向型芯型壳一体化铸型的模型中浇注型芯陶瓷浆料，通过型壳浇口向型芯型壳一体化铸型的模型中浇注型壳陶瓷浆料，获得型芯型壳一体化铸型的坯体；步骤4，对型芯型壳一体化铸型的坯体进行冷冻干燥，脱脂，高温烧结，得到具有预设间隙的型芯型壳一体化铸型。本发明提出的型芯型壳一体化铸型的制备方法，工艺简单，气膜孔头易于加工，型芯型壳接触紧密，气膜孔不会断裂。

Description

一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型及其制备方法和应用。
背景技术
涡轮叶片是燃气轮机动力设备的关键部件，其结构与材料的不断改进是提高能源利用效率、获得高性能装备(发电设备)和产品(如飞机)的关键。涡轮叶片的工作温度与发动机效率成正比，且提高工作温度还意味着可以减轻有害温室气体的排放；气膜孔是涡轮叶片上的一种结构，空气可以从气膜孔喷出形成气膜层，覆盖在叶片表面以达到隔绝热量，从而达到提高叶片工作温度的目的。
传统成型方式中，通常使用打孔的方式得到气膜孔，无法制造复杂的气膜孔模型，而且还会有重铸层等缺陷。基于上述现状，迫切需要新的成型工艺，其中采用直接铸造成型气膜孔是解决其制造困难的一种新途径。上述方法通过陶芯直接成型，但是陶芯双端固定于主型芯与外型壳上，结构细长，烧结时，固支结构容易断裂；并且由于型芯型壳之间为紧密接触，烧结后陶瓷会出现热膨胀现象，容易导致型芯型壳断裂、型芯型壳接触不紧密、气膜孔断裂等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型及其制备方法和应用，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提出的型芯型壳一体化铸型的制备方法，工艺简单，气膜孔头易于加工，型芯型壳接触紧密，气膜孔不会断裂。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，构建型芯型壳一体化三维模型；其中，所述型芯型壳一体化三维模型包括型芯三维模型和型壳三维模型；所述型芯三维模型设置有连接自由端和连接固定端，所述连接固定端的数量为一个；所述型芯三维模型通过所述连接固定端与所述型壳三维模型固定连接；所述型芯三维模型上设置有若干凸起部，用于成型气膜孔，所述型壳三维模型设置有若干凹槽，每个凸起部的自由端均伸入与其对应的凹槽中，所述自由端的端面与所述凹槽的底面之间设置有间隙；所述型芯三维模型设置有型芯浇口，所述型壳三维模型设置有型壳浇口；
步骤2，基于所述型芯型壳一体化三维模型进行3D打印，获得型芯型壳一体化铸型的模型；
步骤3，通过型芯浇口向型芯型壳一体化铸型的模型中浇注型芯陶瓷浆料，通过型壳浇口向型芯型壳一体化铸型的模型中浇注型壳陶瓷浆料，获得型芯型壳一体化铸型的坯体；其中，型芯陶瓷浆料与型壳陶瓷浆料添加有不同烧结膨胀剂；
步骤4，对型芯型壳一体化铸型的坯体进行冷冻干燥，脱脂，高温烧结，得到具有预设间隙的型芯型壳一体化铸型。
本发明的进一步改进在于，步骤1中，所述凸起部的自由端的结构为随形结构、圆头形结构或椭圆头结构。
本发明的进一步改进在于，所述自由端的端面与所述凹槽的底面之间设置有间隙中，所述间隙通过在凸起部的自由端预设包覆层形成。
本发明的进一步改进在于，所述包覆层为金属片或树脂片，所述金属片的熔点低于陶瓷。
本发明的进一步改进在于，所述金属片为铝箔片。
本发明的进一步改进在于，所述包覆层的厚度为400～600微米。
本发明的进一步改进在于，步骤3中，所述烧结膨胀剂为氧化镁、铝、氧化硅、氧化钇或硅粉。
本发明上述的任一种制备方法制备的型芯型壳一体化铸型。
本发明的一种型芯型壳一体化铸型的应用，用于制备涡轮叶片。
进一步的，所述用于制备涡轮叶片的步骤具体包括：
通过定向凝固工艺，在型芯型壳一体化铸型中浇注高温合金，冷却之后经过机加工、打磨、抛光等后处理去除金属叶片表面多余部分，得到具有光滑表面的涡轮叶片。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明基于光固化快速成型技术，提出了一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型及其制备方法和应用，通过设计可控间隙，将固支改为单支(即连接自由端和一个连接固定端)，烧结时连接自由端自由收缩膨胀，降低应力，可提升微细型芯制造能力，满足气膜孔制造，以实现不同结构的气膜孔成形。本发明为型芯型壳一体化铸型气膜孔断裂的问题解决提供了一种新的解决方案，能够推动涡轮叶片和燃气轮机的发展。
本发明中，利用不同结构的气膜孔成型结构的自由端(凸起部的自由端)可以使型芯型壳接触紧密，且气膜孔头的结构易于加工和去除，工艺简单，成本较低；使用不同的气膜孔头结构，可以使型芯型壳接触紧密，避免了气膜孔处出现断裂或震荡的问题，且气膜孔头的结构易于加工和去除。
相比于传统成形工艺，本发明利用树脂薄片和铝箔薄片可以在型芯型壳之间形成一定的间隙，同时通过浆料的烧结膨胀率填充该间隙，可以解决型芯型壳气膜孔断裂的问题，从而打印出具有更高质量的型芯型壳一体化铸型。
本发明基于光固化快速成型技术，使用不同种类陶瓷颗粒配制的浆料，因其热膨胀系数的不同，可以在烧结过程中，控制温度，进而控制烧结过程中型芯型壳的间隙，从而使型芯型壳在普通烧结炉中形成不同的膨胀量，进而形成特定间隙的结构，可以很好地改善型芯型壳结构，避免出现其因型芯过细而断裂的问题。经过高温烧结之后，通过型芯型壳浆料不同的烧结膨胀率，使凸起部的自由端膨胀，填充型芯型壳之间的间隙。该方法设计合理，工艺简单，在型芯型壳之间形成特定的间隙，有效的改善了型芯型壳断裂的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型的制备方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中，型芯型壳结构示意图；
图3是本发明实施例中，型芯型壳气膜孔结构示意图；
图4是本发明实施例中，随形气膜孔结构示意图；
图5是本发明实施例中，圆头形气膜孔结构示意图；
图中，1、型壳；2、型芯；3、间隙；4、凸起部；5、随形结构；6、包覆层；7、圆头形结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，本发明实施例的一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型的制备方法，包括以下步骤：
1)利用建模软件设计具有特定间隙和异型气膜孔成型结构的型芯型壳一体化三维模型；示例性的，步骤1)中型芯2设置有若干凸起部4，每个凸起部4的一端为固支，另一端为自由端，且自由端相对于型芯2为突出结构，突出部分形状为随形结构5、圆头形结构7或椭圆头结构；型壳1设置有若干凹槽与所述凸起部4进行对应。
所述型芯2的三维模型设置有连接自由端和连接固定端，所述连接固定端的数量为一个；所述型芯三维模型通过所述连接固定端与所述型壳1的三维模型固定连接，所述自由端与所述型壳1之间设置有间隙3。
2)3D打印过程中，在树脂件型芯2的外表面直接成形一层包覆层6，以此形成预设间隙(后期处理会烧掉包覆层6)；示例性的，包覆层6为树脂薄片或者金属薄片；金属薄片为铝箔薄片，为易烧失材料，且铝箔薄片和树脂薄片厚度范围为400～600微米。
3)分别配制添加不同烧结膨胀剂的型芯型壳陶瓷浆料，同时在定制化浇口处浇注对应的陶瓷浆料，得到型芯型壳一体化铸型坯体；烧结膨胀剂包括氧化镁、铝、氧化硅、氧化钇、硅粉等；定制化浇口指型芯和型壳的单独浇口，分别浇注型芯浆料和型壳浆料。
本发明实施例中，经过高温烧结之后，通过型芯型壳浆料不同的烧结膨胀率，使气膜孔自由端膨胀，填充型芯型壳之间的间隙。
4)对坯体进行冷冻干燥，脱脂，高温烧结，去除铸型坯体表面覆盖的树脂薄片或金属薄片，得到具有特定间隙的型芯型壳一体化铸型。
本发明实施例优选的，还包括：
5)通过定向凝固工艺，在型芯型壳一体化铸型中浇注高温合金，冷却之后经过特定后处理工艺去除金属叶片表面多余部分，得到具有光滑表面的金属叶片。示例性的，后处理工艺包括机加工、打磨、抛光等工艺。
与现有技术相比，本发明基于光固化快速成型技术，使用不同种类陶瓷颗粒配制的浆料，因其热膨胀系数的不同，可以在烧结过程中，控制温度，进而控制烧结过程中型芯型壳的间隙，从而使型芯型壳在普通烧结炉中形成不同的膨胀量，进而形成特定间隙的结构，可以很好地改善型芯型壳结构，避免出现其因型芯过细而断裂的问题。使用树脂薄片/金属薄片包覆型芯外表面，可以很好地解决型芯型壳陶瓷铸型断裂的问题。使用不同的气膜孔头结构，可以使型芯型壳接触紧密，避免了气膜孔处出现断裂或震荡的问题，且气膜孔头的结构易于加工和去除。该方法设计合理，工艺简单，在型芯型壳之间形成特定的间隙，有效的改善了型芯型壳断裂的问题。
实施例1
本发明实施例的一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型及其制备方法和应用，包括以下步骤：
1)利用建模软件建立具有特定间隙型芯型壳并具有异型气膜孔型芯的三维模型，接着采用光固化成型设备制造浇注陶瓷浆料的树脂件原型，成型树脂为8981树脂，成型精度为0.02mm。使用光固化成型设备打印型芯树脂件原型时，在型芯外表面打印一层树脂薄片，厚度为400微米，其中气膜孔结构如图3所示，为随形气膜孔结构。
2)基于凝胶注模工艺，配制不同陶瓷颗粒的浆料，从而得到不同种类的型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料：
配制型芯陶瓷浆料：将型芯陶瓷浆料按一定比例溶解到去离子水中，并加入预混液，搅拌。其中型芯陶瓷浆料分别为40微米氧化硅55wt％，5微米氧化硅30wt％，2微米氧化硅9wt％、40微米硅粉6wt％。硅粉为烧结膨胀剂；
配制型壳陶瓷浆料：将型壳陶瓷浆料按一定比例溶解到去离子水中，并加入预混液，搅拌。其中型芯陶瓷浆料分别为40微米氧化铝65wt％，2微米氧化铝32wt％、3微米氧化钇3wt％。氧化钇为烧结膨胀剂；
球磨：将型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料分别放入球磨罐中，并加入一定量的刚玉磨球，进行球磨，得到分散均匀、流动性好的型芯型壳陶瓷浆料。
3)在所制备的型芯型壳陶瓷浆料中添加适量催化剂和引发剂，快速搅拌均匀。在浇注机下，真空度设置为-0.08MPa，从型芯浇口浇注型芯陶瓷浆料，型壳浇口浇注型壳陶瓷浆料，将所制备的型芯型壳一体化铸型在20℃的环境下静置25min，使其凝固，得到型芯型壳陶瓷铸型。
4)将得到的铸型放在冷冻箱中，冷冻，脱脂。
5)将脱脂后的铸型放入普通烧结炉中，高温烧结。利用型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料的热膨胀系数不同，得到特定间隙的型芯型壳一体化铸型，同时，通过热膨胀量消除图3中的间隙。其中烧结温度1300℃，烧结时间6h。
6)获得符合定向凝固要求的型芯型壳一体化铸型后，将其与水冷铜盘相连，之后再将其置于三室真空定向凝固炉中进行涡轮叶片的定向凝固铸造。涡轮叶片材料选为镍基高温合金，浇注温度为1500℃，调控水冷铜盘抽拉速度为5.5mm/min。待其冷却之后经过脱芯处理和机加工、打磨、抛光等工艺去除金属叶片表面多余部分，得到具有光滑表面的金属叶片。
实施例2
本发明实施例的一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型及其制备方法和应用，包括以下步骤：
1)利用建模软件建立具有特定间隙型芯型壳并具有异型气膜孔型芯的三维模型，接着采用光固化成型设备制造浇注陶瓷浆料的树脂件原型，成型树脂为8981树脂，成型精度为0.05mm。使用光固化成型设备打印型芯树脂件原型时，在型芯外表面包覆一层铝箔薄片，厚度为500微米，其中气膜孔结构如图4所示，为圆头形气膜孔结构。
2)基于凝胶注模工艺，配制不同陶瓷颗粒的浆料，从而得到不同种类的型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料：
配制型芯陶瓷浆料：将型芯陶瓷浆料按一定比例溶解到去离子水中，并加入预混液，搅拌。其中型芯陶瓷浆料分别为100微米氧化硅22wt％，40微米氧化铝40wt％，5微米氧化铝21wt％、2微米氧化硅14wt％、40微米硅粉3wt％。硅粉为烧结膨胀剂；
配制型壳陶瓷浆料：将型壳陶瓷浆料按一定比例溶解到去离子水中，并加入预混液，搅拌。其中型芯陶瓷浆料分别为40微米氧化铝62.5wt％，5微米氧化铝32wt％、40微米氧化镁4wt％、40微米氧化镁1.5wt％。氧化镁为烧结膨胀剂；
球磨：将型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料分别放入球磨罐中，并加入一定量的刚玉磨球，进行球磨，得到分散均匀、流动性好的型芯型壳陶瓷浆料。
3)在所制备的型芯型壳陶瓷浆料中添加适量催化剂和引发剂，快速搅拌均匀。在浇注机下，真空度设置为-0.07MPa，从型芯浇口浇注型芯陶瓷浆料，型壳浇口浇注型壳陶瓷浆料，将所制备的型芯型壳一体化铸型在25℃的环境下静置20min，使其凝固，得到型芯型壳陶瓷铸型。
4)将得到的铸型放在冷冻箱中，冷冻，脱脂。
5)将脱脂后的铸型放入普通烧结炉中，高温烧结。利用型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料的热膨胀系数不同，得到特定间隙的型芯型壳一体化铸型，同时，通过热膨胀量消除图4中的间隙。其中烧结温度1350℃，烧结时间6h。
6)获得符合定向凝固要求的型芯型壳一体化铸型后，将其与水冷铜盘相连，之后再将其置于三室真空定向凝固炉中进行涡轮叶片的定向凝固铸造。涡轮叶片材料选为钴基高温合金，浇注温度为1250℃，调控水冷铜盘抽拉速度为5mm/min。待其冷却之后经过脱芯处理和机加工、打磨、抛光等工艺去除金属叶片表面多余部分，得到具有光滑表面的金属叶片。
本发明实施例中，所成型的型芯型壳一体化铸型，成功率提升20％左右，可以有效地改善型芯型壳铸型因热膨胀引起的气膜孔断裂等问题，对实际生产过程有很大的帮助。
综上所述，本发明实施例公开了一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型及其制备方法和应用，属于光固化快速成型技术快速成型领域。包括：1)利用建模软件设计具有特定间隙和异型气膜孔的型芯型壳三维模型；2)3D打印过程中，在树脂件型芯外表面直接成形一层树脂薄片或者打印完成后，在型芯外表面包覆一层金属薄片；3)分别配制添加不同烧结膨胀剂的型芯型壳陶瓷浆料，同时在定制化浇口处浇注对应的陶瓷浆料，得到型芯型壳一体化铸型坯体；4)对坯体进行冷冻干燥，脱脂，高温烧结，去除铸型坯体表面覆盖的树脂薄片或金属薄片，得到具有特定间隙的型芯型壳一体化铸型；5)通过定向凝固工艺，在型芯型壳一体化铸型中浇注高温合金，冷却之后经过特定工艺去除金属叶片表面多余部分，得到具有光滑表面的金属叶片。本发明通过设计可控间隙，将气膜孔固支改为单支，可提升微细型芯制造能力，避免气膜孔的断裂，提高了气膜孔铸造的成功率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，构建型芯型壳一体化三维模型；其中，所述型芯型壳一体化三维模型包括型芯三维模型和型壳三维模型；所述型芯三维模型设置有连接自由端和连接固定端，所述连接固定端的数量为一个；所述型芯三维模型通过所述连接固定端与所述型壳三维模型固定连接；所述型芯三维模型上设置有若干凸起部，用于成型气膜孔，所述型壳三维模型设置有若干凹槽，每个凸起部的自由端均伸入与其对应的凹槽中，所述自由端的端面与所述凹槽的底面之间设置有间隙；所述型芯三维模型设置有型芯浇口，所述型壳三维模型设置有型壳浇口；
步骤2，基于所述型芯型壳一体化三维模型进行3D打印，获得型芯型壳一体化铸型的模型；
步骤3，通过型芯浇口向型芯型壳一体化铸型的模型中浇注型芯陶瓷浆料，通过型壳浇口向型芯型壳一体化铸型的模型中浇注型壳陶瓷浆料，获得型芯型壳一体化铸型的坯体；其中，型芯陶瓷浆料与型壳陶瓷浆料添加有不同烧结膨胀剂；
步骤4，对型芯型壳一体化铸型的坯体进行冷冻干燥，脱脂，高温烧结，得到具有预设间隙的型芯型壳一体化铸型。
2.根据权利要求1所述的一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述凸起部的自由端的结构为随形结构、圆头形结构或椭圆头结构。
3.根据权利要求1所述的一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型的制备方法，其特征在于，所述自由端的端面与所述凹槽的底面之间设置有间隙中，所述间隙通过在凸起部的自由端预设包覆层形成。
4.根据权利要求3所述的一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型的制备方法，其特征在于，所述包覆层为金属片或树脂片，所述金属片的熔点低于陶瓷。
5.根据权利要求4所述的一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型的制备方法，其特征在于，所述金属片为铝箔片。
6.根据权利要求3所述的一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型的制备方法，其特征在于，所述包覆层的厚度为400～600微米。
7.根据权利要求1所述的一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述烧结膨胀剂为氧化镁、铝、氧化硅、氧化钇或硅粉。
8.一种权利要求1至7中任一项所述的制备方法制备的型芯型壳一体化铸型。
9.一种权利要求8所述的型芯型壳一体化铸型的应用，其特征在于，用于制备涡轮叶片。
10.根据权利要求9所述的一种可控间隙的型芯型壳一体化铸型的应用，其特征在于，所述用于制备涡轮叶片的步骤具体包括：
通过定向凝固工艺，在型芯型壳一体化铸型中浇注高温合金，冷却之后经过机加工、打磨、抛光后处理去除金属叶片表面多余部分，得到具有光滑表面的涡轮叶片。
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