CN104318023A - 一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，属于材料加工技术领域，本发明的技术方案为：本发明所述的对单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法通过建立基于数值模拟的计算机-实验分析系统，获得模拟用准确的物性参数；通过分析定向凝固过程中叶片铸件的温度场分布，搜索凝固过程中出现的温度局部过冷孤立域；对叶片铸件温度局部过冷孤立域附近型壳进行逐层加厚，对叶片铸件散热较快位置进行保温，获得均匀水平的定向温度分布；采用型壳型芯一体化制造技术进行新改进型壳的生产制造，获得结构信息准确的单晶叶片型壳用于后续定向凝固浇注。本发明方法能够有效避免杂晶缺陷产生，提高产品合格率。

Description

一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，涉及单晶涡轮叶片加工方法，具体涉及一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法。

背景技术

单晶涡轮叶片是航空发动机及工业燃气轮机的重要结构部件，在单晶叶片定向凝固生产过程中，杂晶缺陷常出现于单晶叶片叶身、缘板和榫头等位置。单晶叶片陶瓷型壳是高温金属液凝固成型的“容器”。在凝固过程中，定向凝固炉主要与型壳发生热交换，型壳进一步与内部金属发生热交换，该过程形成了叶片温度场分布，最终影响叶片凝固过程。例如，缘板位置的温度场分布不均匀将最终导致杂晶缺陷产生。

工程上关于单晶叶片陶瓷型壳结构改动较少，其成型过程主要依赖在蜡模零件上反复涂挂浆料，形成一层陶瓷壳层，并通过烧结工艺最终成型。目前的型壳结构基本由工艺方案决定，其主要是对零件结构的等壁厚外延，无法实现对型壳局部位置的结构改进。而有些采用上述方法制造的型壳不利于保持均匀水平的定向凝固温度场。定向凝固过程中，型壳与铸件温度场分布影响因素众多，对型壳结构改进的相关方法和理论较少，因此，国内外尚无对型壳局部结构改进来控制涡轮叶片晶体生长过程的方法。因此，从温度控制与缺陷规避角度来讲，型壳结构局部改进，确保定向凝固温度场均匀、水平，是亟待研究解决的有效的工艺优化方法。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，该方法采用数值模拟结合型壳型芯一体化制造技术，通过分析凝固过程的温度场，对叶片局部温度下降较快位置进行加厚修正，因而能够保持温度场水平，有效避免了杂晶缺陷的产生。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，包括以下步骤：

1)在待测单晶叶片型壳上布置至少5个测温点，根据模拟用的基本参数，通过计算机数值模拟软件测试分析得到各个测温点的模拟温度数据；其中，所述模拟用的基本参数包括抽拉速度、热传导系数、辐射换热系数、比热、潜热、密度及固/液相线温度；

利用计算机数值模拟软件分析待测单晶叶片型壳的三维模型，用正六面体单元进行离散化分析，得到叶片型壳三维离散化数据；

2)在与步骤1)所述的基本参数条件相同的情况下，通过实际浇注实验实时测定各个测温点的实际温度数据；

3)将步骤1)数值模拟得到的各个测温点的数据与步骤2)实时测得的同一时刻条件下的实际温度数据进行对比分析，若有任意一个测温点的相对温度误差大于10％，则需要增加或减小热传导系数和辐射换热系数值10％，然后将该数值作为新的基本参数；

4)重复进行步骤1)～3)，直至在所有时刻下，数值模拟得到的所有测温点数据与实际测得的同一时刻的实际温度数据相比，相对温度误差都不大于10％为止，获得最终的用于模拟计算的基本参数；

5)通过步骤1)得到的叶片型壳三维离散化数据和步骤4)得到的最终的用于模拟计算的基本参数，计算出待测单晶叶片型壳不同时刻的凝固温度场，分析温度局部过冷孤立域是否存在，若存在，对温度局部过冷区域的叶片型壳底层和侧壁外层进行加厚处理，然后重复步骤1)～5)，直至不存在温度局部过冷孤立域；当不存在温度局部过冷孤立域时，则保存修正后的型壳结构文件数据；

6)根据修正后的型壳结构文件数据，采用光固化成型设备生产单晶叶片树脂模型，将配制的陶瓷浆料浇入至单晶叶片树脂模型中，然后对凝固实体进行冷冻干燥、预烧脱脂及浸渍终烧工序，获得陶瓷型壳实体；

7)将获得的陶瓷型壳实体置入真空定向凝固浇注炉中，采用多叶片组模，进行单晶定向凝固浇注，获得无杂晶缺陷的单晶叶片零件。

在待测单晶叶片型壳的引晶段、螺旋段、叶身、缘板及榫头处布置测温点。

所述实际浇注实验是在定向凝固炉中采用钨/铼热电偶实时测定各个测温点的实际温度数据。

所述相对温度误差为模拟温度数据与实际温度数据之差的绝对值与实际温度数据之比。

所述的温度局部过冷孤立域为凝固过程中温度低于液相温度但周围不与固相单元相邻的单元集合区域；所述的固相单元是指温度低于固相线温度的单元。

所述加厚处理是将温度局部过冷孤立域的型壳底层和型壳侧壁外层逐层加厚，且每次加厚的厚度为单层网格单元厚度。

步骤3)所述的需要增加或减小热传导系数和辐射换热系数值10％具体是指：当模拟得到温度高于实际测量温度时，则减小热传导系数和辐射换热系数值10％；当模拟得到温度低于实际测量温度时，则增大热传导系数和辐射换热系数值10％。

所述计算机数值模拟软件为ProCAST软件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的对单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法通过建立基于数值模拟的计算机-实验分析系统，获得模拟用准确的物性参数；通过分析定向凝固过程中叶片铸件的温度场分布，搜索凝固过程中出现的温度局部过冷孤立域；对叶片铸件温度局部过冷孤立域附近型壳进行逐层加厚，对叶片铸件散热较快位置进行保温，获得均匀水平的定向温度分布，采用型壳型芯一体化制造技术进行新改进型壳的生产制造，获得结构信息准确的单晶叶片型壳用于后续定向凝固浇注。本发明方法采用计算机数值模拟分析温度过冷区域位置，该位置冷却速度快，倾向于形成杂晶缺陷，通过不断对叶片型壳进行局部加厚，阻止叶片凝固过程部分区域快速凝固，使单晶叶片在定向凝固过程基本满足自下而上的顺序凝固特征，其中加厚的型壳采用型壳型芯一体化制造技术进行生产，补充传统工艺在改变型壳结构方面的不足，优化后的型壳壁厚不尽相同，在后续凝固过程中基本保持等温面水平，避免杂晶缺陷产生，提高产品合格率。

附图说明

图1为本发明方法的整体流程图；

图2为定向凝固炉结构示意图；

图3为单晶叶片型壳测温点布置图；

图4为单晶叶片铸件温度局部过冷孤立域的不同时刻温度变化示意图；

图5为温度局部过冷孤立域附近型壳局部加厚的不同时刻温度变化示意图。

其中，1为加热区；2为挡板；3为冷却区；4叶片型壳组模；5为抽拉推杆；6为圆盘结晶器；7为选晶过渡区；8为下缘板；9为叶身；10为上缘板；11为榫头；12为叶片铸件榫头；13为型壳；14为缘板端部；15为型壳侧壁；16为型壳底部。

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。

参见图1，为本发明对单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷方法的总体流程图，本发明所述的对单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法通过建立基于数值模拟的计算机-实验分析系统，获得模拟用准确的物性参数；通过分析定向凝固过程中叶片铸件的温度场分布，搜索凝固过程中出现的温度局部过冷区域；对叶片铸件温度局部过冷区域附近型壳进行逐层加厚，对叶片铸件散热较快位置进行保温，获得均匀水平的定向温度分布；采用型壳型芯一体化制造技术进行新改进型壳的生产制造，获得结构信息准确的单晶叶片型壳用于后续定向凝固浇注。

本发明的基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，包括以下步骤：

1、构建一个基于数值模拟方法的计算机-实验装置系统

所述计算机-实验装置系统，包括：计算机、定向凝固炉及钨/铼热电偶，其中，在所述叶片型壳的引晶段、螺旋段、叶身、缘板以及榫头处布置至少5个测温点。参见图3，为待测单晶叶片型壳测温点布置图，对定向凝固过程进行测温，主要包括对叶片型壳上关键结构进行温度测量，包括：选晶过渡区7、下缘板8、叶身9、上缘板10及榫头11。

计算机中预置有ProCAST商用软件；采用钨/铼热电偶，测量所述测温点温度值；

参见图2，为定向凝固炉结构示意图，该设备是用于单晶叶片生产的专用设备，定向凝固炉可以分为加热区1和冷却区3，其中加热区1在凝固过程中对叶片部分继续加热，冷却区3在凝固过程中对进入该区的叶片部分进行冷却，挡板2负责隔离加热区和冷却区，以提高温度梯度，叶片模组4一般为6个叶片型壳组模，抽拉推杆5及圆盘结晶器6连接共同组成炉体的抽拉机构。

2、进行定向凝固过程温度局部过冷孤立域分析

所述的温度局部过冷孤立域是指凝固过程中温度低于液相温度但周围不与固相单元相邻的单元集合区域，所述的固相单元是指温度低于固相线温度的单元。

2.1向所述计算机输入模拟用的基本参数，基本参数：抽拉速度、热传导系数，辐射换热系数，合金的物理参数：比热、潜热、密度和固/液相线温度；

2.2向计算机输入所述叶片型壳的三维模型，用ProCAST软件对该叶片型壳三维模型用正六面体单元进行离散化；

2.3向所述计算机下达用ProCAST软件对叶片凝固过程的温度场进行测试模拟的指令，并输出步骤1所述至少5个测温点的温度值随时间变化的数据；

2.4操作员以所述叶片型壳为样件，采用步骤2.1所述的抽拉速度值，在相同于步骤2.1中的模拟用的基本参数条件下，在所述实验装置中进行浇注实验，实时测定各测温点实际的温度随时间变化的数据；

2.5操作员把步骤2.3数值模拟得到在同一时刻条件下的所述各测温点的数据与步骤2.4实测的所述各测温点的温度数据进行对比分析，在任意相同时刻，只要有一个测温点的相对温度误差δ>10％，便需要增加或减小上一次确定的热传导系数和辐射换热系数值10％，具体是：当模拟得到温度高于实际测量温度则需将减小热传导系数和辐射换热系数值10％，当模拟得到温度低于实际测量温度则需将增大热传导系数和辐射换热系数值10％，并将此值作为新的基本参数输入到所述ProCAST软件，直到在不同时刻下所有所述测温点的相对温度误差都不大于10％为止，从而确定最终用于模拟计算的基本参数，所述相对温度误差是指：温度模拟值与温度实测值之差的绝对值与所述温度实测值之比；

2.6输入步骤2.5确定的模拟计算用基本参数，输入步骤2.2所述的叶片型壳三维离散化数据文件，计算所述叶片不同时刻的凝固温度场，分析所述温度局部过冷孤立域是否存在，参见图4，单晶复杂叶片凝固过程中，叶片不同位置散热速率有所差异，其中叶片铸件榫头12内部的等温线出现倾斜或弯曲现象，在缘板端部14处出现了温度局部过冷孤立域，该区域是杂晶出现的主要位置，可以对型壳13局部位置进行加厚，降低散热速率。

若存在温度局部过冷孤立域，则对所述的温度局部过冷孤立域的型壳底层和型壳侧壁外层(如果存在)加厚一层，其加厚厚度为单层网格单元厚度，参见图5，根据凝固温度局部过冷区域分布特点，对该区域附近型壳侧壁15加厚2层，对型壳底部16加厚4层，使其对缘板端部产生保温作用，降低散热速率。再次从步骤2.1开始进行模拟计算，若不存在，保存修正后的型壳结构文件，作为下一步骤的输入文件。

3、制造修正后的型壳实体

3.1采用步骤2.6所述修正后的型壳结构文件作为输入文件，采用光固化成型设备生产单晶叶片树脂模型；

3.2将配制的陶瓷浆料浇入至单晶叶片树脂模型中，对凝固实体进行冷冻干燥，预烧脱脂，浸渍终烧工序，获得陶瓷型壳实体.

4、制备无杂晶缺陷的单晶叶片零件

将获得的陶瓷型壳实体置入真空定向凝固浇注炉中，采用多叶片组模，采用所述定向凝固炉可进行单晶定向凝固浇注，并获得无杂晶缺陷的单晶叶片零件。

综上所述，本发明能够合理给出陶瓷型壳局部修正方法，能够达到控制定向凝固过程中叶片晶体生长，避免杂晶缺陷产生的目的，是结合新技术提高产品合格率的有效途径。采用计算机数值模拟分析温度过冷区域位置，该位置冷却速度快，倾向于形成杂晶缺陷，通过对叶片型壳局部位置进行逐层加厚，阻止温度过冷区域快速凝固，使单晶叶片在定向凝固过程中满足自下而上的顺序凝固特征，其中加厚的单晶叶片型壳壁厚不一致，外表面出现结构突起，采用型壳型芯一体化制造技术进行生产，补充传统工艺在改变型壳结构方面的不足，优化后的型壳壁厚不尽相同，在后续凝固过程中基本保持等温面水平，避免杂晶缺陷产生，提高产品合格率。

Claims (8)

1.一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在待测单晶叶片型壳上布置至少5个测温点，根据模拟用的基本参数，通过计算机数值模拟软件测试分析得到各个测温点的模拟温度数据；其中，所述模拟用的基本参数包括抽拉速度、热传导系数、辐射换热系数、比热、潜热、密度及固/液相线温度；

利用计算机数值模拟软件分析待测单晶叶片型壳的三维模型，用正六面体单元进行离散化分析，得到叶片型壳三维离散化数据；

2)在与步骤1)所述的基本参数条件相同的情况下，通过实际浇注实验实时测定各个测温点的实际温度数据；

3)将步骤1)数值模拟得到的各个测温点的数据与步骤2)实时测得的同一时刻条件下的实际温度数据进行对比分析，若有任意一个测温点的相对温度误差大于10％，则增加或减小热传导系数和辐射换热系数值10％，然后将该数值作为新的基本参数；

4)重复进行步骤1)～3)，直至在所有时刻下，数值模拟得到的所有测温点数据与实际测得的同一时刻的实际温度数据相比，相对温度误差都不大于10％为止，获得最终的用于模拟计算的基本参数；

5)通过步骤1)得到的叶片型壳三维离散化数据和步骤4)得到的最终的用于模拟计算的基本参数，计算出待测单晶叶片型壳不同时刻的凝固温度场；

6)对计算出的待测单晶叶片型壳不同时刻的凝固温度场进行分析，判断是否存在温度局部过冷孤立域；

若存在，则对温度局部过冷区域的叶片型壳底层和侧壁外层进行加厚处理，然后重复步骤1)～5)，直至不存在温度局部过冷孤立域；

当不存在温度局部过冷孤立域时，则保存修正后的型壳结构文件数据；

7)根据修正后的型壳结构文件数据，采用光固化成型设备生产单晶叶片树脂模型，将配制的陶瓷浆料浇入至单晶叶片树脂模型中，然后对凝固实体进行冷冻干燥、预烧脱脂及浸渍终烧工序，获得陶瓷型壳实体；

8)将获得的陶瓷型壳实体置入真空定向凝固浇注炉中，采用多叶片组模，进行单晶定向凝固浇注，获得无杂晶缺陷的单晶叶片零件。

2.根据权利要求1所述的一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，其特征在于，在待测单晶叶片型壳的引晶段、螺旋段、叶身、缘板及榫头处布置测温点。

3.根据权利要求1所述的一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，其特征在于，所述实际浇注实验是在定向凝固炉中采用钨/铼热电偶实时测定各个测温点的实际温度数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，其特征在于，所述相对温度误差为模拟温度数据与实际温度数据之差的绝对值与实际温度数据之比。

5.根据权利要求1所述的一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，其特征在于，所述的温度局部过冷孤立域为凝固过程中温度低于液相温度但周围不与固相单元相邻的单元集合区域；所述的固相单元是指温度低于固相线温度的单元。

6.根据权利要求1所述的一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，其特征在于，所述加厚处理是将温度局部过冷孤立域的型壳底层和型壳侧壁外层逐层加厚，且每次加厚的厚度为单层网格单元厚度。

7.根据权利要求1所述的一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，其特征在于，步骤3)所述的增加或减小热传导系数和辐射换热系数值10％具体是指：当模拟得到温度高于实际测量温度时，则减小热传导系数和辐射换热系数值10％；当模拟得到温度低于实际测量温度时，则增大热传导系数和辐射换热系数值10％。

8.根据权利要求1所述的一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，其特征在于，所述计算机数值模拟软件为ProCAST软件。