CN110252958B - 基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法 - Google Patents

基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，通过在缘板位置增加中空/多孔结构，并合理设计中空/多孔结构尺寸，能够达到控制定向凝固中缘板位置的温度场，阻止局部过冷的产生，避免缘板位置杂晶缺陷的产生；缘板杂晶是单晶叶片最常见也是最主要的缺陷，缘板杂晶产生的主要原因是由于缘板边缘相比叶身位置热辐射更快，由于局部过冷形核导致杂晶产生。缘板中空/多孔结构大大降低了缘板边缘向水冷环的热辐射，从而保证了定向凝固过程中缘板位置水平温度场的均匀，能够产生高质量的单晶叶片；通过采用增材制造技术与凝胶注模工艺相结合的型芯‑型壳一体化铸型工艺，克服了传统熔模制造工艺不能对铸型结构进行按需设计和精确设计的缺点。

Description

基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法
技术领域
本发明属于加工制造领域，具体涉及基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法。
背景技术
应用定向凝固工艺可以制造具有柱状晶粒和单晶结构的铸件。镍基高温合金由于其出色的抗蠕变性和高温抗氧化性，广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机中涡轮叶片的生产，由于单晶高温合金叶片完全消除了晶界，提高了叶片的高温蠕变性能和疲劳性能，成为制造高性能航空发动机的首选。目前在单晶涡轮叶片的定向凝固过程中遇到的主要问题之一就是缘板突出位置会形成杂晶。在叶片缘板部分，由于铸件在垂直热流方向上横截面积突变，由于突出位置熔体过冷容易形成新的晶粒。这些杂晶的晶界将成为单晶叶片的薄弱环节，使用中会发展成为裂纹源，最终导致叶片的断裂失效。同时由于缘板杂晶的存在，单晶叶片的良品率一直维持在很低水平。
增材制造技术通过逐层累积成型制造实体零件，对复杂零件的近净成型具有巨大优势，同时也为零件内部的复杂结构制造提供了新的空间。其中光固化快速成型是当前成熟度较高，精度较为理想的一种快速成型技术。利用增材制造技术的柔性化技术实现了型芯/型壳一体化制备，有效的避免了传统熔模铸造在制备具有空心结构复杂零件的制造过程的一系列复杂的制造工艺，在保证综合性能满足要求的同时，极大的减少了制造时间和成本，是具有革命性的一项新技术，具有非常大的市场价值。区别于传统的熔模工艺，基于增材制造和凝胶注模的型芯/型壳一体化制备工艺，可以对叶片铸型进行精确化制造，从而为高复杂叶片的数字化和高质量制造指明了方向。
在传统工艺中，单晶叶片缘板杂晶缺陷控制方法主要是通过控制定向凝固过程中的工艺参数，包括浇铸温度、抽拉速率，该方法对单晶叶片杂晶缺陷的控制有限，而且主要依靠经验，是一种粗放型制造方式。本发明利用一种基于模拟的单晶叶片孔隙结构壳控制杂晶缺陷的方法，本方法能够减少工艺实验的次数，有效避免杂晶缺陷，提高单晶叶片合格率。
发明内容
本发明提供的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，解决了单晶涡轮叶片在制备的过程中存在杂晶缺陷，导致单晶涡轮叶片的合格率低的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，包括以下步骤：
步骤1，根据叶片模型数据设计叶片铸型定向凝固的三维模型；
步骤2，将步骤1中得到的三维模型导入有限元模拟软件中，进行离散化处理，得到离散化数据模型；
步骤3，将步骤2中得到的离散化数据模型中的模拟用基本参数导入计算机数值模拟软件中对定向凝固过程进行模拟计算并提取测温点的温度变化曲线；
步骤4，通过关键点测温实验与步骤3中得到的测温点的温度变化曲线进行对比，并校准模拟参数，并将该模拟参数作为校准后的数值模拟计算的基本参数；
步骤5，根据步骤4中得到的校准后的数值模拟计算的基本参数，在叶片铸型定向凝固的三维模型上得到局部过冷区域的缘板位置，并在该位置处增加缘板中空/多孔结构，形成叶片铸型定向凝固的三维模型的二次建模；
步骤6，将步骤5得到的叶片铸型定向凝固的三维模型的二次建模导入数值模拟分析系统进行计算分析，得到叶片局部过冷孤立域是否存在，若存在，则修改缘板中空/多孔结构中的中空结构或多孔结构的尺寸，直到局部过冷孤立域消失，之后得到叶片铸型定向凝固的三维模型的三次建模；
步骤7，将步骤6中得到的叶片铸型定向凝固的三维模型的三次建模进行树脂模具设计并制造，得到铸型的树脂模具；
步骤8，根据步骤7中得到的铸型的树脂模具完成基于缘板中空/多孔结构抑制缘板杂晶缺陷的叶片铸型的制备。
优选地，步骤2中，有限元模拟软件为PROCAST有限元模拟软件。
优选地，步骤3中，模拟用基本参数包括预热温度、浇铸温度、抽拉速度、热传导系数、辐射换热系数以及所用材料的热物性参数。
优选地，步骤4中，过关键点测温实验与步骤3中得到的测温点的温度变化曲线进行对比，并校准模拟参数，并将该模拟参数作为校准后的数值模拟计算的基本参数的具体方法包括：在基本参数条件相同的情况下，在实际浇注过程中实时测定各个测温点的实际温度变化数据，并将实时测得的实际温度变化数据与步骤3中得到的测温点的温度变化曲线进行对比分析；根据对比分析结果对热传导系数和辐射换热系数进行调整，直到相对温度误差符合要求，并以此参数作为校准后的数值模拟计算的基本参数。
优选地，步骤5中，缘板中空/多孔结构包括缘板本体，缘板本体的中心开设有安装孔，缘板本体的面板上开设有中空结构。
优选地，中空结构为随形结构，其高度约为2mm～5mm；修改缘板中空/多孔结构中的中空结构或多孔结构的尺寸，直到局部过冷孤立域消失的具体方法是：
将中空结构的初始高度设定为2mm，利用PROCAST有限元模拟软件对叶片铸型定向凝固的三维模型的二次建模进行模拟计算，当缘板局部仍存在过冷时，则沿等温线弯曲方向将中空结构增加1mm，直至过冷消失。
优选地，步骤5中，缘板中空/多孔结构包括缘板本体，缘板本体的中心开设有安装孔，缘板本体的面板上开设有若干个通孔。
优选地，通孔的孔径为1mm～2mm；修改缘板中空/多孔结构中的中空结构或多孔结构的尺寸，直到局部过冷孤立域消失的具体方法是：
将通孔(103)的初始孔径设定为1mm，利用PROCAST有限元模拟软件对叶片铸型定向凝固的三维模型的二次建模进行模拟计算，当缘板局部仍存在过冷时，则沿等温线弯曲方向将中空结构增加0.2mm，直至过冷消失。
优选地，步骤7中，将步骤6中得到的叶片铸型定向凝固的三维模型的三次建模进行树脂模具设计并制造的具体方法是：
S1将叶片铸型定向凝固的三维模型的三次建模利用三维设计软件进行铸型树脂模具的设计，得到叶片铸型定向凝固的树脂模型；
S2，将S1中得到的叶片铸型定向凝固的树脂模型转换为STL格式；
S3，将STL格式导入Magics软件中对模型进行分层切片及加支撑处理，得到处理的后数据；
S4，将S3中的处理后的数据导入SPS600光固化快速成型机快速制造程序，进行叶片光固化树脂模具的制备，得到叶片光固化树脂模具；
S5，将S4中得到的叶片光固化树脂模具清洗、去除支撑，之后置入紫外线固化箱进一步固化后得到铸型的树脂模具。
优选地，步骤8中，利用光固化3D打印技术的型芯/型壳一体化制备工艺完成铸型的树脂模具的制备，进而得到基于缘板中空/多孔结构抑制缘板杂晶缺陷的叶片铸型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，通过在缘板位置增加中空/多孔结构，并合理设计中空/多孔结构尺寸，能够达到控制定向凝固中缘板位置的温度场，阻止局部过冷的产生，避免缘板位置杂晶缺陷的产生；缘板杂晶是单晶叶片最常见也是最主要的缺陷，缘板杂晶产生的主要原因是由于缘板边缘相比叶身位置热辐射更快，由于局部过冷形核导致杂晶产生。缘板中空/多孔结构大大降低了缘板边缘向水冷环的热辐射，从而保证了定向凝固过程中缘板位置水平温度场的均匀，能够产生高质量的单晶叶片；
通过采用增材制造技术与凝胶注模工艺相结合的型芯-型壳一体化铸型工艺，克服了传统熔模制造工艺不能对铸型结构进行按需设计和精确设计的缺点。结合数值仿真工具对制造温场的分析，对铸型缘板位置进行合理的结构设计以调整局部散热，优化叶片铸造中的整体温场，从而达成解决缘板杂晶缺陷的目标；该铸型能够显著降低叶片定向凝固过程中缘板处的形核过冷，能够有效预防单晶叶片缘板杂晶的产生，提高单晶叶片的合格率。
附图说明
图1是本发明的叶片铸型制备方法的流程图；
图2是叶片模型的结构示意图；
图3是缘板中空/多孔结构的一种示意图；
图4是缘板中空/多孔结构的另一种示意图；
图5是缘板中空/多孔结构的一种调整方法示意图；
图6是缘板中空/多孔结构的另一种调整方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，包括以下步骤：
步骤1，根据叶片模型数据设计叶片铸型定向凝固的三维模型，三维模型包括铸型、炉壁和水冷盘模型，叶片模型数据包括单晶选晶器、组模个数、排列方式以及浇冒口；如图2；
步骤2，将步骤1中得到的三维模型导入有限元模拟软件中，进行离散化处理，得到离散化数据模型；
步骤3，将步骤2中得到的离散化数据模型中的模拟用基本参数导入计算机数值模拟软件中对定向凝固过程进行模拟计算并提取测温点的温度变化曲线；
其中，模拟用基本参数包括预热温度、浇铸温度、抽拉速度、热传导系数、辐射换热系数以及所用材料的热物性参数；
步骤4，通过关键点测温实验与步骤3中得到的测温点的温度变化曲线进行对比，并校准模拟参数，并将该模拟参数作为校准后的数值模拟计算的基本参数；
在基本参数条件相同的情况下，在实际浇注过程中实时测定各个测温点的实际温度变化数据，并将实时测得的实际温度变化数据与步骤3中得到的测温点的温度变化曲线进行对比分析；则将热传导系数和辐射换热系数进行调整，直到相对温度误差符合要求，并以此参数作为校准后的数值模拟计算的基本参数；
步骤5，根据步骤4中得到的校准后的数值模拟计算的基本参数，在叶片铸型定向凝固的三维模型上得到局部过冷区域的缘板位置，并在该位置处增加缘板中空/多孔结构，形成叶片铸型定向凝固的三维模型的二次建模，该缘板中空/多孔结构与铸型外部连通，用于减小过冷区域的热传导，且满足整体式铸型的制备条件；
如图3所示，缘板中空/多孔结构包括缘板本体1，缘板本体1的中心开设有安装孔101，缘板本体1的面板上开设有中空结构102。
如图4所示，缘板中空/多孔结构的另一种结构，包括缘板本体1，缘板本体1的中心开设有安装孔101，缘板本体1的面板上开设有若干个通孔103。
步骤6，将步骤5得到的叶片铸型定向凝固的三维模型的二次建模导入数值模拟分析系统进行计算分析，得到叶片局部过冷孤立域是否存在，若存在，则修改缘板中空/多孔结构中的中空结构或多孔结构的尺寸，直到局部过冷孤立域消失，之后得到修改的缘板中空/多孔结构的尺寸，进而得到叶片铸型定向凝固的三维模型的三次建模；
步骤7，将步骤6中得到的叶片铸型定向凝固的三维模型的三次建模进行树脂模具设计并制造；
将步骤6中得到的叶片铸型定向凝固的三维模型的三次建模通过三维设计软件进行铸型树脂模具的设计，要求能够满足光固化快速成型工艺与凝胶注模工艺的要求，以及树脂烧蚀工艺的要求，设计完成后通过高精度光固化成型机完成树脂模具的快速制造；
步骤8，通过基于光固化3D打印技术的型芯/型壳一体化制备工艺完成基于缘板中空/多孔结构抑制缘板杂晶缺陷的叶片铸型的制备，进而完成单晶叶片的浇铸。
该发明方法使用整体式铸型工艺制造铸型，通过数值模拟计算方法，减小了工艺实验的盲目性，通过缘板缘板中空/多孔结构消除了定向凝固过程中的局部过冷域，提高了单晶高温合格率。
实施例1
步骤1，根据叶片结构设计叶片铸型定向凝固的三维模型，三维模型包括铸件、铸型以及简化后的炉壁与水冷盘模型；
首先，根据水冷盘的尺寸，完成组模个数与位置的摆放，要求各个叶片之间有良好的散热条件，完成叶片在水冷盘上的排布后，设计浇注的浇冒口与流道设计后完成整个铸件模型的设计。基于铸件模型设计铸型模型，要求控制6mm的均匀壁厚；最后根据实际尺寸完成定向凝固设备内部炉壁模型的建立。
步骤2，将步骤1中得到的三维模型导入有限元模拟软件中，进行离散化处理，得到离散化数据模型；
有限元模拟软件为PROCAST有限元模拟软件。
步骤3，将步骤2中得到的离散化数据模型中的模拟用基本参数导入计算机数值模拟软件中对定向凝固过程进行模拟计算并提取测温点的温度变化曲线；
其中，模拟用基本参数包括预热温度、浇铸温度、抽拉速度、热传导系数、辐射换热系数以及所用材料的热物性参数；
表1模拟用的基本参数
Figure GDA0002901612480000081
步骤4，通过关键点测温实验与步骤3中得到的测温点的温度变化曲线进行对比，并校准模拟参数，并将该模拟参数作为校准后的数值模拟计算的基本参数；
在基本参数条件相同的情况下，在实际浇注过程中实时测定各个测温点的实际温度变化数据，并将实时测得的实际温度变化数据与步骤3中得到的测温点的温度变化曲线进行对比分析；根据对比分析结果对热传导系数和辐射换热系数进行调整，直到相对温度误差符合要求，并以此参数作为校准后的数值模拟计算的基本参数；
步骤5，根据步骤4中得到的校准后的数值模拟计算的基本参数，在叶片铸型定向凝固的三维模型上得到局部过冷区域的缘板位置，并在该位置处增加中空/多孔结构，形成叶片铸型定向凝固的三维模型的二次建模，该缘板中空/多孔结构与铸型外部连通，用于减小过冷区域的热传导，且满足整体式铸型的制备条件；
本实施例中的缘板中空/多孔结构包括缘板本体1，缘板本体1的中心开设有安装孔101，缘板本体1的面板上开设有中空结构102。
通过降低缘板位置的金属散热，从而降低叶片缘板处的形核过冷，达到抑制杂晶的效果。其中，中空结构102为随形结构，高度约为2mm-5mm；具体结构尺寸结合凝固温度场进行优化和调整；具体调整方式为：将初始中空结构设计为2mm高度，然后使用PROCAST有限元模拟软件进行模拟计算，当缘板局部仍存在过冷时，则沿等温线弯曲方向将中空结构增加1mm，直至过冷消失。如图5所示。
缘板中空/多孔结构的另一种结构，包括缘板本体1，缘板本体1的中心开设有安装孔101，缘板本体1的面板上开设有若干个通孔103，通孔103的孔径为1mm-2mm。具体孔径尺寸结合凝固温度场进行优化和调整；具体调整方式为：将初始孔径设计为1mm，然后使用PROCAST有限元模拟软件进行模拟计算，当缘板局部仍存在过冷时，则沿等温线弯曲方向将此处孔径增加0.2mm，直至过冷消失。如图6所示，其中，增大孔径，用于增大热阻；减小孔径，用于降低热阻。
步骤6，将步骤5得到的叶片铸型定向凝固的三维模型的二次建模导入数值模拟分析系统进行计算分析，得到叶片局部过冷孤立域是否存在，若存在，则修改缘板中空/多孔结构中的中空结构或多孔结构的尺寸，直到局部过冷孤立域消失，之后得到修改的缘板中空/多孔结构的尺寸，进而得到叶片铸型定向凝固的三维模型的三次建模；
步骤7，将步骤6中得到的叶片铸型定向凝固的三维模型的三次建模进行树脂模具设计并制造；
将调整后的铸型通过三维设计软件进行铸型树脂模具的设计，要求能够满足光固化快速成型工艺与凝胶注模工艺的要求，设计完成后通过高精度光固化成型机完成树脂模具的快速制造；使用UG三维造型对将设计好的树脂模具三维模型转换为STL格式，使用Magics软件对模型分层切片及加支撑处理。将Magics处理后数据导入SPS600光固化快速成型机快速制造程序，进行叶片光固化树脂模具的制备。用酒精清洗掉表面液态残余树脂并去除支撑，置入紫外线固化箱进一步固化后得到铸型的树脂模具。
步骤8，通过基于光固化3D打印技术的型芯/型壳一体化制备工艺完成基于缘板中空/多孔结构抑制缘板杂晶缺陷的叶片铸型的制备，进而完成单晶叶片的浇铸；
将配置的陶瓷浆料浇入单晶叶片树脂模型之中，对凝固实体进行冷冻干燥，预烧脱脂，高温烧结工序，获得最终陶瓷型壳实体；将获得的陶瓷型壳实体放入真空定向凝固浇注炉中，抽拉速率采用变抽拉速率工艺，初始抽拉速率为3mm/min，当缘板下沿与定向凝固设备隔热挡板水平时，抽拉速率减至1mm/min，直至完成。通过定向凝固炉进行单晶定向凝固浇注，得到缘板无杂晶缺陷的单晶叶片。
综上所述，本发明通过在缘板位置增加中空/多孔结构，并合理设计中空/多孔结构尺寸，能够达到控制定向凝固中缘板位置的温度场，阻止局部过冷的产生，避免缘板位置杂晶缺陷的产生。缘板杂晶是单晶叶片最常见也是最主要的缺陷，缘板杂晶产生的主要原因是由于缘板边缘相比叶身位置热辐射更快，由于局部过冷形核导致杂晶产生。缘板中空/多孔结构大大降低了缘板边缘向水冷环的热辐射，从而保证了定向凝固过程中缘板位置水平温度场的均匀，能够产生高质量的单晶叶片。采用型壳型芯一体化制造工艺，能够灵活改变型壳结构设计，快速完成带挡板结构的一体化型壳制造。

Claims (8)

1.基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据叶片模型数据设计叶片铸型定向凝固的三维模型；
步骤2，将步骤1中得到的三维模型导入有限元模拟软件中，进行离散化处理，得到离散化数据模型；
步骤3，将步骤2中得到的离散化数据模型中的模拟用基本参数导入计算机数值模拟软件中对定向凝固过程进行模拟计算并提取测温点的温度变化曲线；
步骤4，通过关键点测温实验与步骤3中得到的测温点的温度变化曲线进行对比，并校准模拟参数，并将该模拟参数作为校准后的数值模拟计算的基本参数；
步骤5，根据步骤4中得到的校准后的数值模拟计算的基本参数，在叶片铸型定向凝固的三维模型上得到局部过冷区域的缘板位置，并在该位置处增加缘板中空/多孔结构，形成叶片铸型定向凝固的三维模型的二次建模；
步骤6，将步骤5得到的叶片铸型定向凝固的三维模型的二次建模导入数值模拟分析系统进行计算分析，得到叶片局部过冷孤立域是否存在，若存在，则修改缘板中空/多孔结构中的中空结构或多孔结构的尺寸，直到局部过冷孤立域消失，之后得到叶片铸型定向凝固的三维模型的三次建模；
步骤7，将步骤6中得到的叶片铸型定向凝固的三维模型的三次建模进行树脂模具设计并制造，得到铸型的树脂模具；
步骤8，根据步骤7中得到的铸型的树脂模具完成基于缘板中空/多孔结构抑制缘板杂晶缺陷的叶片铸型的制备；
其中，步骤5中，缘板中空/多孔结构包括缘板本体（1），缘板本体（1）的中心开设有安装孔（101），缘板本体（1）的面板上开设有中空结构（102）或若干个通孔（103）。
2.根据权利要求1所述的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，其特征在于，步骤2中，有限元模拟软件为PROCAST有限元模拟软件。
3.根据权利要求1所述的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，其特征在于，步骤3中，模拟用基本参数包括预热温度、浇铸温度、抽拉速度、热传导系数、辐射换热系数以及所用材料的热物性参数。
4.根据权利要求1所述的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，其特征在于，步骤4中，过关键点测温实验与步骤3中得到的测温点的温度变化曲线进行对比，并校准模拟参数，并将该模拟参数作为校准后的数值模拟计算的基本参数的具体方法包括：在基本参数条件相同的情况下，在实际浇注过程中实时测定各个测温点的实际温度变化数据，并将实时测得的实际温度变化数据与步骤3中得到的测温点的温度变化曲线进行对比分析；根据对比分析结果对热传导系数和辐射换热系数进行调整，直到相对温度误差符合要求，并以此参数作为校准后的数值模拟计算的基本参数。
5.根据权利要求1所述的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，其特征在于，中空结构（102）为随形结构，其高度为2mm～5mm；修改缘板中空/多孔结构中的中空结构或多孔结构的尺寸，直到局部过冷孤立域消失的具体方法是：
将中空结构的初始高度设定为2mm，利用PROCAST有限元模拟软件对叶片铸型定向凝固的三维模型的二次建模进行模拟计算，当缘板局部仍存在过冷时，则沿等温线弯曲方向将中空结构增加1mm，直至过冷消失。
6.根据权利要求1所述的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，其特征在于，通孔（103）的孔径为1mm～2mm；修改缘板中空/多孔结构中的中空结构或多孔结构的尺寸，直到局部过冷孤立域消失的具体方法是：
将通孔（103）的初始孔径设定为1mm，利用PROCAST有限元模拟软件对叶片铸型定向凝固的三维模型的二次建模进行模拟计算，当缘板局部仍存在过冷时，则沿等温线弯曲方向将中空结构增加0.2mm，直至过冷消失。
7.根据权利要求1所述的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，其特征在于，步骤7中，将步骤6中得到的叶片铸型定向凝固的三维模型的三次建模进行树脂模具设计并制造的具体方法是：
S1将叶片铸型定向凝固的三维模型的三次建模利用三维设计软件进行铸型树脂模具的设计，得到叶片铸型定向凝固的树脂模型；
S2，将S1中得到的叶片铸型定向凝固的树脂模型转换为STL格式；
S3，将STL格式导入Magics软件中对模型进行分层切片及加支撑处理，得到处理的后数据；
S4，将S3中的处理后的数据导入SPS600光固化快速成型机快速制造程序，进行叶片光固化树脂模具的制备，得到叶片光固化树脂模具；
S5，将S4中得到的叶片光固化树脂模具清洗、去除支撑，之后置入紫外线固化箱进一步固化后得到铸型的树脂模具。
8.根据权利要求1所述的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，其特征在于，步骤8中，利用光固化3D打印技术的型芯/型壳一体化制备工艺完成铸型的树脂模具的制备，进而得到基于缘板中空/多孔结构抑制缘板杂晶缺陷的叶片铸型。
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