CN103231025A - 一种可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，首先在三维软件中设计初始铸型。然后将初始铸型置于铸造软件中完成应力计算，确定最佳铸型壁厚。然后将二次铸型置于定向晶生长的模拟环境中进行辐射传热计算，并分析温度场分布规律及热场变化规律，改变壁厚给出接近定向凝固生长温度梯度规律的壁厚。重复辐射传热计算、应力校核，修改设计，直到确定铸型的最终三维设计。基于快速成型的陶瓷铸型快速制造方法制造出铸型。该方法解决了在高温合金复杂结构定向凝固过程中铸型对定向晶生长的影响问题，从而可以更容易获得定向晶叶片，并且获得质量更高的定向晶产品，并一定程度的避免了热应力及其他应力所造成的开裂、应力变形等问题。

Description

一种可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法

技术领域

本发明属于定向凝固铸型技术领域，涉及一种可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法。

背景技术

定向凝固是在凝固过程中应用技术手段，在液-固界面处建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到定向组织，甚至单晶。定向凝固技术的出现，提高了高温合金的力学性能，特别是在航空领域生产高温合金的发动机叶片，较普通铸造方法获得的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能大幅度提高。另外，定向凝固技术还广泛应用于自生复合材料的生产制造等等。

定向凝固技术自20世纪50年代起始，经历了发热剂法（EP）、功率降低法（PD）、高速凝固法（HRS）、液态金属冷却法（LMC）、液态床冷却法（FBQ）、区域熔化液态金属冷却法（ZMLMC）、激光超高温度梯度快速定向凝固（LRM）、连续定向凝固法（OCC）、电磁约束成形定向凝固（EMCS）、深过冷定向凝固技术（SDS）和二维定向凝固技术（BDS）等十余项技术的发展，各类定向凝固设备已日趋成熟。但，目前对针对定向凝固“特种铸型”，即通过控制壁厚来保持凝固前界面温度梯度一致的铸型的研究较少，尤其是针对复杂结构件，例如空心涡轮叶片的定向凝固铸型。

目前，复杂的高温合金结构件制造主要基于熔模制造方法。熔模制造的过程中型芯、型壳的制造是分别制造，然后装配在一起。熔模制造方法中的型壳制造主要使用多次涂挂的方法，没有关注对其厚度及型壳外廓等的控制。这对定向凝固过程中，尤其是航空发动机上空心涡轮叶片这类复杂结构的铸型温度传递及温度场分布控制非常不利，因为这样会使得凝固过程中的凝固前界面的温度梯度不一致，从而导致冷却速度不一致，使得定向凝固过程中出现杂晶、偏析等缺陷。由于燃气轮机空心涡轮叶片的外廓非常复杂，直接导致了型壳外廓的复杂性。在现有的定向凝固技术中，根据热传导规律，型壳壁厚的分布情况对型壳内壁（即与高温金属液接触的壁面）的温度分布影响较大，直接影响了定向晶的能否生长及生长质量。但，目前的型壳制造方法难以完成通过控制铸型形状及壁厚均匀性来完成对金属液收到温度场的控制。所以，发展一种可以根据高温合金定向凝固温度场要求的铸型尤为重要，尤其是对空心涡轮叶片的定向凝固有着非常的意义。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，解决传统铸造中型壳难以精确控制，以及定向凝固过程中型壳温度场精确控制的问题，从而提高高温合金复杂结构的定向凝固质量。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，包括以下步骤：

1）针对待制备的铸件的结构，在三维软件中设计壁厚均匀的初始铸型；

2）将初始铸型导入铸造软件中进行热传导分析及应力分析；在应力计算的过程中，还对应力集中的区域，改变铸型的型壳外壁的形状以消减应力，直到消除应力集中或降低应力集中；根据各时刻的热应力分布情况，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）将二次铸型置于定向晶生长的模拟环境中进行传热计算，并分析温度场分布规律及热场变化规律，得到二次铸型的传热规律及温度梯度分布，并根据其修改二次铸型设计：加厚传热较快的铸型区域壁厚或改变铸型外壁形状，减薄传热较慢的铸型区域或改变铸型外壁形状，直到给出接近定向凝固生长温度梯度规律的壁厚，形成三次铸型；

4）然后对三次铸型重复传热计算、应力分析，并进行修改直到铸型内壁符合定向凝固的温度梯度，并能承受定向晶生长过程中受到的应力，得到铸件的定型铸型；

5）基于光固化快速成型技术，根据定型铸型设计做出相应的光固化树脂模具，再利用凝胶注模成型方法制造用于铸件定向凝固铸造的陶瓷铸型。

所述的初始铸型在UG软件中设计。

所述的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：

2.1）设置铸件和模壳的换热系数为0；

2.2）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；

2.3）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：

2.4）在预热计算中提取模壳的温度分布状态；

2.5）改变铸件和模壳的0换热系数；

2.6）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；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。

所述的扣箱的移动速率一般设置为铸件用金属液的凝固速率。

所述修改铸型壁厚是利用改变模壳各层的厚度进行温度场的调控：

将模壳沿轴向进行分层，分层的层数N按照每层的厚度h小于凝固速率与时间的积推算，h=L/N，其中L为铸型长，N为分层数；

然后从第一层启动分析，提取铸型沿截面方向进行温度和温度梯度分布，沿等温线进行铸型厚度修改，加厚区为散热较快的区域，加厚形状按照厚度加厚外缘平行等温线的形状情况进行修改，数量级取h/10；

按照上述操作重复计算，修改铸型壁厚，直到铸型内壁的温度沿轴向分布，没有周向和径向温度梯度，提取沿该层温度梯度分布矢量图，分布均匀的部位不需修改；累积各层完成铸型厚度优化，再次在ProCAST软件中进行应力及一般传热分析，校核型壳强度，完成三次铸型设计。

所述根据定型铸型设计做出相应的光固化树脂模具为：

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/T6414-1999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后以STL行驶导出，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。

所述凝胶注模成型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，球墨1.5h以上，获得粘度小于1Pa·S、固相体积分数为60vol%的陶瓷浆料；

所述的陶瓷粉料包括粒度20～25μm的粗颗粒氧化铝粉体、粒度1～5μm的细颗粒的氧化铝粉体和氧化镁矿化剂。

所述的陶瓷铸型的制备包括：

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<1200℃；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：

本发明提供的可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，基于定向晶体生长控制和基于快速成型技术的铸型制造工艺，解决传统铸造中型壳难以精确控制，以及定向凝固过程中型壳温度场精确控制的问题，从而提高高温合金复杂结构的定向凝固质量，较快实现高温合金复杂结构的工业化生产；特别是适用于燃气轮机空心涡轮定向晶叶片的铸型设计及其制造。

本发明提供的可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，解决了在高温合金复杂结构定向凝固过程中铸型对定向晶生长的影响问题，例如，在空心涡轮叶片制造过程中通过铸型来控制复杂部位的温度梯度，满足定向晶生长条件。

本发明提供的可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，避免了定向凝固特种铸型制造的精度难以控制的一系列问题，如铸型厚度的精准控制，铸型厚度按照设计要求精准控制可以保持铸型内壁的温度梯度在周向和径向维持在一个恒定的数值上，即铸型的变厚度设计可以保证铸型的所受的温度梯度只有轴向具有，这样为铸件的定向凝固提供了必要条件；铸型外形的精准控制，外形按照设计要求精准控制可以保持整体铸造结构的稳定性和消减应力集中，这样使得定向凝固过程中铸型不至于因为上下较大的温度梯度而产生缺陷或发生破坏，也是完成叶片定向凝固的必要条件。本发明提出的铸型设计制造方法为完成高温合金定向凝固的制造提供了必要条件和基础。

可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，也解决了传统定向凝固过程中铸型所受到的温度场及应力场难以控制的问题，有效的修正了铸型内壁的温度梯度，并一定程度的避免了热应力及其他有害应力所造成的开裂、应力变形等问题。

可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，采用了CAE技术-制造技术一体化设计，可以清楚地获知高温合金复杂结构，例如空心涡轮叶片在定向凝固过程中的热传导规律和应力分布及传递规律。对定向凝固生产具有指导意义。

可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，缩短了铸型的设计制作周期，并且操作简单，耗费较少。还可以实现特种定向晶、单晶产品（例如叶片）的针对设计，也可以实现广泛高温合金结构的通用设计，易于推广。

附图说明

图1-1为作为铸件的叶片的示意图；

图1-2为铸件的浇注系统的示意图；

图1-3为铸型的三维设计示意图；

图2-1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2-2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3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4为ProCAST界面中的热场分布示意图；

图5为型壳沿轴向切片示意图；

图6为初始设计铸型截面热传导温度分布图

图7为二次修改后铸型设计截面图；

图8为修改截面温度分布图；

图9为符合定向凝固温度梯度要求的铸型温度分布图。

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。

一种可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，包括以下步骤：

1）针对待制备的铸件的结构，在三维软件中设计壁厚均匀的初始铸型；

2）将初始铸型导入铸造软件中进行热传导分析及应力分析；在应力计算的过程中，还对应力集中的区域，改变铸型的型壳外壁的形状以消减应力，直到消除应力集中或降低应力集中；根据各时刻的热应力分布情况，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）将二次铸型置于定向晶生长的模拟环境中进行传热计算，并分析温度场分布规律及热场变化规律，得到二次铸型的传热规律及温度梯度分布，并根据其修改二次铸型设计：加厚传热较快的铸型区域壁厚或改变铸型外壁形状，减薄传热较慢的铸型区域或改变铸型外壁形状，直到给出接近定向凝固生长温度梯度规律的壁厚，形成三次铸型；

4）然后对三次铸型重复传热计算、应力分析，并进行修改直到铸型内壁符合定向凝固的温度梯度，并能承受定向晶生长过程中受到的应力，得到铸件的定型铸型；

5）基于光固化快速成型技术，根据定型铸型设计做出相应的光固化树脂模具，再利用凝胶注模成型方法制造用于铸件定向凝固铸造的陶瓷铸型。

下面给出了某种叶片可以形成最适宜生长定向晶温度梯度的的热传导铸型截面设计及制备，步骤如下：

根据图1-1所示的叶片的三维模型，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1-2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1-2设计铸型，铸型三维图见图1-3。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2-1、图2-2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2-1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2-2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3。

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，例如隼根与叶身的连接处，直到消除应力集中或降低应力集中。

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4为铸型一次设计的整体温度场分布，可以看出，在叶身凹面温度传输通叶身凸面不同，这样会产生周向和径向温度梯度。周向和径向的温度梯度会导致在叶身处模壳内壁形核，这样不利于定向晶的形成，所以采用变厚度型壳设计。

图4中温度变化范围为35℃～1600℃，图中型壳从下至上为叶身外壳、隼根外壳及浇冒口外壳，温度依次由低到高，各部大概的温度范围为：叶身外壳主要处于1070.2℃～1286.0℃之间；隼根外壳主要处于1182.5℃～1391.3℃之间；浇冒口外壳温度在1391.3℃～1495.6℃左右。可以明显看出在叶身中部有温度不均匀部位。也可以在图6中看出。

由图4可见温度在叶片端部即底部能保持只沿轴向的温度梯度，但是到了叶身处，叶身凹处和叶身凸处的温度就出现在同一个切面出现不同温度分布，即存在周向和径向温度梯度。

铸型的温度分布除了与铸型及铸件的物性参数有关，还与形状有关。铸件和模壳形状的不同会导致模壳温度分布的不均匀，等均匀壁厚的模壳不会改变不均匀的温度分布，所以，可以利用改变模壳各层的厚度进行温度场的调控。

根据初始铸型的温度分布规律，将铸型散热较快的区域加厚或改变铸型外壁形状，修改铸型壁厚的方法：将模壳沿轴向，即长向进行分层，分层的层数N按照每层的厚度h=L/N，(其中L为铸型长，N为分层数目)小于凝固速率与时间的积推算。然后从第一层启动分析，提取铸型沿截面方向进行温度和温度梯度分布，沿等温线进行铸型厚度修改，加厚区为散热较快的区域，加厚形状按照等温线（厚度加厚外缘平行等温线）的形状情况进行修改，数量级取h/10。然后重复计算，修改铸型壁厚，直到铸型内壁的温度沿轴向分布，即铸型上只有轴向温度梯度，没有周向和径向温度梯度，修改二次设计，完成三次设计。提取沿该层温度梯度分布矢量图，分布均匀的部位不需修改。注意：铸型厚度的最小值为根据应力计算得出的铸型厚度。

具体的变厚度设计的方法为：

将叶片型壳沿轴向即叶片的长向进行切片，也就是沿轴线将叶片分为若干分，如图5所示，从叶片前缘即叶片距离隼根最远的前端进行逐层分析。单层分析按下述方法：取一层进行温度场提取，见图6。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，在散热的过程中，其曲率较大的两端（图6中A、B两处）散热较快，为了保持在同一横截面铸型内壁温度保持一致，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厚度修改。然后取其临近的下一层重复这种方法进行厚度改变，直到将所有分层都完成温度分析，厚度设计，最终形成二次设计。

图6中温度变化比例尺为35℃～1600℃，该截面的温度变化范围为1078.2℃～1391.3℃。型壳内壁的温度主要为1300℃左右，在A处内壁温度降低为1100℃左右，在B处内壁温度降低为1200℃左右，A、B处的型壳外壁温度都降低至1100℃左右，但在型壳外壁的其他部位则接近1200℃左右，明显存在周向及径向温度梯度。

由图6可见，叶片某截面A处和B处的散热较快，其中A处散热最快，按照软件计算出的温度分布量度进行厚度增加，因为A处散热更快，所以A、B处所在的边缘加厚，以得到使型壳内壁温度在该层均匀的型壳壁厚设计。

因为在定向凝固过程中，外部圆形水冷环的温度最先传递到叶片边缘A处，接着传递至另一边缘B处，铸型内壁并未形成均匀的温度场，定向晶的生长在这种存在周向及径向温度梯度的部位出现中断或是出现晶粒偏向生长，对整体定向凝固叶片的铸造不利，所以根据温度场分布结果修改初始设计，示意图见图7。

经过重新设计后的铸型在叶片边缘部分较叶片平面部分较厚，如图7所示。这样在温度传递过程中传递较快的叶片边缘部分需要经过较厚的传递介质。将修改过的叶片截面导入ANSYS软件进行传热分析并进行优化计算，结果见图8。

图8中模壳的温度分布范围大约为614.556℃～1300℃铸型外壁的温度分布不均匀，最低处为614.556℃，最高处为759.444℃；铸型内壁的温度分布则非常均匀，都保持在1300℃左右。

虽然在叶片两端处的两点传热不均匀，但传至模壳内壁的温度就均匀的保持在1300℃左右，随着时间的推移，模壳内壁的温度均匀地降低至金属固相线温度（1267℃），这样，综合传递速率与传递介质厚度等综合因素，可以保证热量传导至铸型内壁只沿定向晶生长的方向有温度梯度，基本可以满足定向晶生长的单向温度梯度要求。

上述设计方法为整体型壳某一层的壁厚设计方法，如果要获得叶片铸型满足定向凝固温度梯度要求的整体设计必须按照上述设计、分析方法完成每一层的变厚度修改设计，设计完成后再次将铸型三维数据导入ProCAST软件中进行辐射传热计算，获得如图9的型壳温度分布图。如果未获得理想的温度分布结果，还需要修改壁厚，重复上述步骤，直到满足温度梯度分布的要求。

图9为模拟定向凝固的过程中铸型移动至某一位置的温度分布图。其中温度变化范围为35℃～1600℃，图中型壳从下至上为叶身外壳、隼根外壳及浇冒口外壳，温度依次由低到高，叶身各部的温度由下至上分为为逐层升高，产生沿轴向的单向温度梯度这是因为随着晶体的单向生长，在固液界面以上的部分为均匀的热液，所以温度保持在较高的区域。

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。

一般一次设计并不能完成上述满足要求的设计，需要多次重复修改铸型的壁厚信息，直到保持每层的型壳内壁温度都不存在周向及径向温度，只有沿轴向的单向温度梯度，才能确定最终设计。

三次铸型设计：

完成二次设计后，将变厚度型壳置于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，如果扔存在周向及径向梯度，进一步修改各层厚度，进行三次设计。

然后重复应力计算及传热计算，修改设计，即重复步骤1-4，直到铸型内壁，即与高温合金金属液接触的地方符合定向凝固的温度梯度，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高温合金定向晶产品。

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（25μm）和细颗粒（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/T6414-1999增加铸造圆角R0.5～1。基于空心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，球墨1.5h以上，获得粘度小于1Pa·S、固相体积分数为60vol%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<1200℃）。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空心涡轮叶片的定向凝固铸造。

Claims (9)

1.一种可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）针对待制备的铸件的结构，在三维软件中设计壁厚均匀的初始铸型；

2）将初始铸型导入铸造软件中进行热传导分析及应力分析；在应力计算的过程中，还对应力集中的区域，改变铸型的型壳外壁的形状以消减应力，直到消除应力集中或降低应力集中；根据各时刻的热应力分布情况，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）将二次铸型置于定向晶生长的模拟环境中进行传热计算，并分析温度场分布规律及热场变化规律，得到二次铸型的传热规律及温度梯度分布，并根据其修改二次铸型设计：加厚传热较快的铸型区域壁厚或改变铸型外壁形状，减薄传热较慢的铸型区域或改变铸型外壁形状，直到给出接近定向凝固生长温度梯度规律的壁厚，形成三次铸型；

4）然后对三次铸型重复传热计算、应力分析，并进行修改直到铸型内壁符合定向凝固的温度梯度，并能承受定向晶生长过程中受到的应力，得到铸件的定型铸型；

5）基于光固化快速成型技术，根据定型铸型设计做出相应的光固化树脂模具，再利用凝胶注模成型方法制造用于铸件定向凝固铸造的陶瓷铸型。

2.如权利要求1所述的可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，其特征在于，所述的初始铸型在UG软件中设计。

3.如权利要求1所述的可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，其特征在于，所述的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。

4.如权利要求1所述的可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，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：

2.1）设置铸件和模壳的换热系数为0；

2.2）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；

2.3）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：

2.4）在预热计算中提取模壳的温度分布状态；

2.5）改变铸件和模壳的0换热系数；

2.6）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；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。

5.如权利要求4所述的可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，其特征在于，所述的扣箱的移动速率一般设置为铸件用金属液的凝固速率。

6.如权利要求1所述的可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，其特征在于，所述修改铸型壁厚是利用改变模壳各层的厚度进行温度场的调控：

将模壳沿轴向进行分层，分层的层数N按照每层的厚度h小于凝固速率与时间的积推算，h=L/N，其中L为铸型长，N为分层数；

然后从第一层启动分析，提取铸型沿截面方向进行温度和温度梯度分布，沿等温线进行铸型厚度修改，加厚区为散热较快的区域，加厚形状按照厚度加厚外缘平行等温线的形状情况进行修改，数量级取h/10；

按照上述操作重复计算，修改铸型壁厚，直到铸型内壁的温度沿轴向分布，没有周向和径向温度梯度，提取沿该层温度梯度分布矢量图，分布均匀的部位不需修改；累积各层完成铸型厚度优化，再次在ProCAST软件中进行应力及一般传热分析，校核型壳强度，完成三次铸型设计。

7.如权利要求1所述的可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，其特征在于，所述根据定型铸型设计做出相应的光固化树脂模具为：

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/T6414-1999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后以STL行驶导出，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。

8.如权利要求1所述的可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，其特征在于，所述凝胶注模成型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，球墨1.5h以上，获得粘度小于1Pa·S、固相体积分数为60vol%的陶瓷浆料；

所述的陶瓷粉料包括粒度20～25μm的粗颗粒氧化铝粉体、粒度1～5μm的细颗粒的氧化铝粉体和氧化镁矿化剂。

9.如权利要求1所述的可控壁厚的定向凝固铸型的制备方法，其特征在于，所述的陶瓷铸型的制备包括：

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<1200℃；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。

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