[发明专利]一种单晶涡轮叶片陶瓷铸型的制造方法

说明书

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：

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；