CN107052337A - 一种3d打印生产选晶器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种3D打印生产选晶器的方法，步骤包括：选用相同组分不同配比的打印材料生产选晶器，使用选晶器铸造单晶试棒，并观察各选晶器几何变化，确定最佳打印材料；打印材料的组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：无碱玻璃纤维：65～80%、耐高温组分：20～35%；使用最佳打印材料打印生产不同几何形状的选晶器，分别观察选晶过程，确定最优选晶参数；按照最优选晶参数，通过3D打印生产选晶器。本发明通过优化打印材料以及选晶参数，保证选晶器强度以及选晶效率；有效解决了金属模具不能分型的缺点，突破了模具设计以及蜡模易脆的瓶颈；并且制造精度高，确保单晶质量以及合格率。

Description

一种3D打印生产选晶器的方法
技术领域
本发明属于航空精密铸造领域，具体涉及一种利用3D打印生产制造选晶器的方法。
背景技术
航空航天产业是国家综合国力的集中体现和重要标志，是国家先进制造业的重要组成部分，是国家科技创新体系一支重要力量，是国家战略产业。航空发动机是航空航天产业最为重要的部件，被称为工业中的皇冠，发动机中的叶片则是发动机中的心脏，其制造成本约占整机的25%至30%，而叶片制造的关键技术在于单晶凝固生产过程，选晶器的好坏则决定了单晶叶片的材料取向性能，一直以来是国内叶片制造技术的瓶颈之一。
目前选晶器的设计主要依靠经验，对于选晶器的各项参数缺乏合理的理论支持和数据支撑，尤其针对选晶效率优秀，但制造复杂的螺旋选晶器，使用现有金属模具存在不能分型的缺点，并且制作进度较低。
因此，为了解决以上问题研制出一种螺旋选晶器的生产工艺是本领域技术人员所急需解决的难题。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种3D打印生产选晶器的方法。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种3D打印生产选晶器的方法，步骤包括：
（1）选用相同组分不同配比的打印材料生产选晶器，使用选晶器铸造单晶试棒，并观察各选晶器几何变化，确定最佳打印材料；打印材料的组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：无碱玻璃纤维：65～80%、耐高温组分：20～35%；
（2）使用最佳打印材料打印生产不同几何形状的选晶器，分别观察选晶过程，确定最优选晶参数；
（3）按照步骤（2）得到的最优选晶参数，通过3D 打印生产选晶器。
进一步地，耐高温组分为纳米二氧化钛、铝粉以及氧化锌的组合物。
进一步地，具体步骤包括：
（1-a）、准备打印材料，按照无碱玻璃纤维的配比，以5%为间隔，将打印材料分为4组；
（1-b）、使用4组打印材料通过3D打印生产4个选晶器，并分别使用4个选晶器铸造单晶试棒，并观察每个选晶器的几何变换，确定较优打印材料；
（1-c）、以较优打印材料的组分配比为基准，以±1%为间隔，进一步将打印材料重新分为7组，分别打印生产选晶器；
（1-d）、使用步骤（1-c）获得的选晶器铸造单晶试棒，并观察各选晶器几何变化，确定最佳打印材料；
（2）使用步骤（1-d）获得的最佳打印材料，按照3～5组不同选晶参数打印生产选晶器，模拟选晶过程，优化选晶参数，获得最优选晶参数；
（3）按照步骤（2）获得的最优选晶参数，并以（1-d）获得的最佳打印材料为原料，通过3D打印生产出最优选晶器。
进一步地，选晶参数包括螺旋起升角、螺旋直径、螺旋螺距。
进一步地，步骤（2）中模拟选晶过程以及优化选晶参数的具体过程为：通过Procast和CAFÉ软件模拟预测优化选晶器的选晶过程。
进一步地，耐高温组分中的各成分所占耐高温组分的质量百分比分别为：纳米二氧化钛：53～70%、铝粉：22～32%、氧化锌：5～15%。
本发明提供了一种3D打印生产选晶器的方法，首先确定最优打印材料，再通过最优打印材料打印生产出多个选晶器，确定最优选晶参数，最后按照最优选晶参数，以最优打印材料为原料，通过3D打印生产出最优选晶器。
本发明与现有技术相比，通过优化打印材料以及选晶参数，保证选晶器强度以及选晶效率；有效解决了金属模具不能分型的缺点，突破了模具设计以及蜡模易脆的瓶颈；并且制造精度高，确保单晶质量以及合格率。
附图说明
图1、螺旋起升角与选晶高度的折线图；
图2、螺旋直径与选晶高度的折线图；
图3、螺旋螺距与选晶高度的折线图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
一种3D打印生产选晶器的方法，步骤包括：
（1-a）、准备打印材料，按照无碱玻璃纤维的配比，以5%为间隔，将打印材料分为4组，分别为：
A组：无碱玻璃纤维：65%、耐高温组分：35%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：53%、铝粉：32%、氧化锌：15%；
B组：无碱玻璃纤维：70%、耐高温组分：30%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：70%、铝粉：22%、氧化锌：8 %；
C组：无碱玻璃纤维：75%、耐高温组分：25%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：62%、铝粉：27%、氧化锌：11%；
D组：无碱玻璃纤维：80%、耐高温组分：20%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：62%、铝粉：27%、氧化锌：11%；
（1-b）、使用4组打印材料通过3D打印生产4个选晶器，并分别使用4个选晶器铸造单晶试棒，并观察每个选晶器的几何变换，确定C组为较优打印材料；
（1-c）、以C组打印材料的组分配比为基准，以±1%为间隔，进一步将打印材料重新分为7组，分组为：
C-1组：无碱玻璃纤维：72%、耐高温组分：28%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：62%、铝粉：27%、氧化锌：11%；
C-2组：无碱玻璃纤维：73%、耐高温组分：27%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：62%、铝粉：27%、氧化锌：11%；
C-3组：无碱玻璃纤维：74%、耐高温组分：26%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：62%、铝粉：27%、氧化锌：11%；
C-4组：无碱玻璃纤维：75%、耐高温组分：25%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：62%、铝粉：27%、氧化锌：11%；
C-5组：无碱玻璃纤维：76%、耐高温组分：24%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：62%、铝粉：27%、氧化锌：11%；
C-6组：无碱玻璃纤维：77%、耐高温组分：23%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：62%、铝粉：27%、氧化锌：11%；
C-7组：无碱玻璃纤维：78%、耐高温组分：22%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：62%、铝粉：27%、氧化锌：11%；
分别打印生产选晶器；
（1-d）、使用步骤（1-c）获得的选晶器铸造单晶试棒，并观察各选晶器几何变化，确定C-6组的打印材料为最佳打印材料；
（2）使用步骤（1-d）获得的最佳打印材料，按照3～5组不同选晶参数，包括螺旋起升角、螺旋直径、螺旋螺距，打印生产选晶器，通过Procast和CAFÉ软件模拟预测优化选晶器的选晶过程，所得螺旋起升角、螺旋直径以及螺旋螺距与选晶高度的关系分别如图1、2、3所示，可知，螺旋起升角越大，选晶高度越高，选晶效率越低；螺旋直径越大，选晶高度越高，选晶效率越低；螺旋螺距越宽，选晶高度越低，选晶效率越低；预选选晶参数分别为：20°、2mm、19mm，考虑到支撑强度以及螺旋直径在达到3mm后选晶才趋于稳定，因此所选选晶参数调整优化为19.5°、3mm、19mm，即最优选晶参数；
（3）按照步骤（2）获得的最优选晶参数，并以（1-d）获得的C-6组最佳打印材料为原料，通过3D打印生产出最优选晶器，并通过获得的最优选晶器制备单晶试棒，测试其整体性能，并进一步观察最优选晶器产生几何变化的时间。
实施例2：
与实施例1不同的是，调整耐高温组分的组成以及配比，将打印材料重新分为4组，分别为：
A组：无碱玻璃纤维：75%、耐高温组分：25%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：59%、铝粉：29%、氧化锌：12%；
B组：无碱玻璃纤维：75%、耐高温组分：25%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：61%、铝粉：28%、氧化锌：11%；
C组：无碱玻璃纤维：75%、耐高温组分：25%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：63%、铝粉：27%、氧化锌：10%；
D组：无碱玻璃纤维：75%、耐高温组分：25%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：65%、铝粉：24%、氧化锌：11%；
使用以上4组打印材料通过3D打印生产4个选晶器，并分别使用4个选晶器铸造单晶试棒，并观察每个选晶器的几何变换，确定B组为较优打印材料；
再按照实施例1中步骤（1-c）～（3）制备单晶试棒，测试其整体性能，并进一步观察最优选晶器产生几何变化的时间。
通过实施例1、2获得，在以以下组分配比：无碱玻璃纤维：75%、耐高温组分：25%，其中耐高温组分的组成以及配比分别为：纳米二氧化钛：61%、铝粉：28%、氧化锌：11%为打印原料，以螺旋起升角、螺旋直径、螺旋螺距，分别为19.5°、3mm、19mm作为选晶参数生产出的选晶器，其选晶效果最为优秀，并且最为经久耐用。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制性技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种3D打印生产选晶器的方法，其特征在于：步骤包括：
（1）选用相同组分不同配比的打印材料生产选晶器，使用选晶器铸造单晶试棒，并观察各选晶器几何变化，确定最佳打印材料；所述打印材料的组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：无碱玻璃纤维：65～80%、耐高温组分：20～35%；
（2）使用最佳打印材料打印生产不同几何形状的选晶器，分别观察选晶过程，确定最优选晶参数；
（3）按照步骤（2）得到的最优选晶参数，通过3D 打印生产选晶器。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印生产选晶器的方法，其特征在于：所述耐高温组分为纳米二氧化钛、铝粉以及氧化锌的组合物。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印生产选晶器的方法，其特征在于：具体步骤包括：
（1-a）、准备打印材料，按照无碱玻璃纤维的配比，以5%为间隔，将打印材料分为4组；
（1-b）、使用4组打印材料通过3D打印生产4个选晶器，并分别使用4个选晶器铸造单晶试棒，并观察每个选晶器的几何变换，确定较优打印材料；
（1-c）、以较优打印材料的组分配比为基准，以±1%为间隔，进一步将打印材料重新分为7组，分别打印生产选晶器；
（1-d）、使用步骤（1-c）获得的选晶器铸造单晶试棒，并观察各选晶器几何变化，确定最佳打印材料；
（2）使用步骤（1-d）获得的最佳打印材料，按照3～5组不同选晶参数打印生产选晶器，模拟选晶过程，优化选晶参数，获得最优选晶参数；
（3）按照步骤（2）获得的最优选晶参数，并以（1-d）获得的最佳打印材料为原料，通过3D打印生产出最优选晶器。
4.根据权利要求3所述的一种3D打印生产选晶器的方法，其特征在于：所述选晶参数包括螺旋起升角、螺旋直径、螺旋螺距。
5.根据权利要求3所述的一种3D打印生产选晶器的方法，其特征在于：所述步骤（2）中模拟选晶过程以及优化选晶参数的具体过程为：通过Procast和CAFÉ软件模拟预测优化选晶器的选晶过程。
6.根据权利要求2所述的一种3D打印生产选晶器的方法，其特征在于：所述耐高温组分中的各成分所占耐高温组分的质量百分比分别为：纳米二氧化钛：53～70%、铝粉：22～32%、氧化锌：5～15%。
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