[发明专利]一种单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法

权利要求书

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。

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。

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，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。

4.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。

5.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：

5.1）设置铸件和模壳的换热系数为0；

5.2）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；

5.3）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：

5.4）在预热计算中提取模壳的温度分布状态；

5.5）改变铸件和模壳的0换热系数；

5.6）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。

6.如权利要求5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。

7.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，设计初始陶瓷铸型，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。