CN111168004A - 一种基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，属于基于光固化成型技术快速铸造领域。包括：1)用光固化快速成型技术制造出经CAD设计的单晶零件及带籽晶块内嵌结构的螺旋选晶器一体化树脂模具原型；2)先采用凝胶注模法向一体化树脂模具原型中浇注陶瓷浆料，再采用真空冷冻干燥和高温烧结强化，得到一体化铸型；3)嵌入籽晶块后采用定向凝固技术，实现单晶零件的高质量成型。本发明利用籽晶块的外延生长和螺旋选晶器的选晶作用，精确控制单晶零件一次和二次枝晶取向，同时设置防止杂晶结构，提高单晶零件的性能和质量。本发明设计合理，大大缩短了单晶零件的制造周期，提高零件制造的可靠性。

Description

一种基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化 铸型成型单晶零件的方法

技术领域

本发明属于基于光固化成型技术的快速铸造领域，涉及一种基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法。

背景技术

单晶高温合金由于具有良好的高温力学性能而被广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的热端部件，比如单晶涡轮叶片等。晶体的一次枝晶取向与叶片的主应力方向一致时有最好的热疲劳性能，并且晶体的二次枝晶取向对叶片的性能也有很明显的影响，因此在制备单晶高温合金过程中希望能够控制一次和二次枝晶取向。定向凝固单晶叶片的制造方法主要包括：螺旋选晶法和籽晶法。螺旋选晶法是在引晶段底部大量形核随后在定向凝固过程中通过晶粒间的竞争生长获得单晶；籽晶法则通过预先在铸件底部放置一个期望取向的籽晶，在定向凝固过程中以籽晶外延生长的方式长出单晶，此方法可以精确控制单晶铸件的一次和二次枝晶取向。

由于螺旋选晶法具有工艺简单、选晶成功率高、生产周期短、制造成本低等特点，所以单晶零件一般通过选晶法来获得单晶组织。但是选晶法制备的单晶取向一般只能控制单晶的一次枝晶取向偏离角在15°以内，且不能控制二次枝晶取向，而且引晶段和选晶段的设计不合理会导致选晶失败，降低单晶叶片的制造可靠性和成功率，增加了制造成本，延长了生产周期。但是籽晶法在浇注时易对籽晶造成冲刷，且籽晶边缘处易产生杂晶。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，该方法解决了传统的螺旋选晶法或籽晶法制造单晶零件时，二次枝晶取向可控性较差、存在杂晶的问题，提高了单晶零件的性能和质量，缩短了制造周期。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，包括以下步骤：

1)制造单晶零件及具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的一体化树脂模具原型

通过CAD设计单晶零件及螺旋选晶器的结构模型，螺旋选晶器底端设计有籽晶块内嵌结构，在螺旋选晶器与籽晶块内嵌结构的交接处设有防止杂晶结构；

采用光固化3D打印快速成型技术，成型出单晶零件及具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器相连接的一体化树脂模具原型；

2)制造具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的一体化铸型

向上述一体化树脂模具原型中浇注陶瓷浆料，通过凝胶注模法使陶瓷浆料固化原位成型，得到陶瓷铸型的坯体，再将陶瓷铸型的坯体经过真空冷冻干燥和高温烧结强化，得到与所要制备单晶零件匹配的具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的一体化铸型；

3)获得单晶零件

将籽晶块嵌入上述制备的一体化铸型中螺旋选晶器底端的籽晶块内嵌结构内部形成配合，并将带有籽晶块的一体化铸型与水冷铜盘相连，浇注高温合金后，采用定向凝固技术实现单晶零件的成型；待单晶零件冷却后，脱芯得到单晶零件。

优选地，步骤2)中，所述陶瓷铸型为氧化物高温结构陶瓷铸型。

进一步优选地，所述氧化物高温结构陶瓷铸型包括氧化铝陶瓷铸型、氧化硅陶瓷铸型、氧化钙陶瓷铸型和氧化钇陶瓷铸型。

优选地，步骤3)中，所述高温合金包括镍基高温合金、钴基高温合金、铌硅基高温合金和钛铝合金。

优选地，籽晶块内嵌结构为圆柱形、立方形或圆锥形。

进一步优选地，当籽晶块内嵌结构为圆柱形时，籽晶块内嵌结构的内径与螺旋选晶器引晶段的外径比为3:4～4:5；当籽晶块内嵌结构为立方形时，籽晶块内嵌结构的边长与螺旋选晶器引晶段的外径比为2:1～9:5；当籽晶块内嵌结构为圆锥形时，籽晶块内嵌结构的底面直径与螺旋选晶器引晶段的外径比为3:4～4:5。

优选地，防止杂晶结构设置在螺旋选晶器引晶段内壁与籽晶块内嵌结构的交接处。

优选地，防止杂晶结构的内径d与螺旋选晶器引晶段内嵌结构的内径或边长D的比为1:2～4:5，防止杂晶结构的厚度l≥4mm。

此外，步骤1)中，针对具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的结构模型，包括螺旋选晶器引晶段和螺旋选晶器选晶段；

螺旋选晶器引晶段的外部形状为圆柱形，螺旋选晶器引晶段的内部通道为立方形或圆柱形；螺旋选晶器引晶段结构参数为：高度大于等于30mm，底部直径小于等于18mm；螺旋选晶器选晶段的结构参数为：代表选晶器角度的螺旋升角为30～60°，螺旋线直径为8～16mm，螺径为3～7mm，螺旋圈数为1～2。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，相较传统的螺旋选晶法或籽晶法制造单晶零件的方法，本方法通过在螺旋选晶器底端设计内嵌结构，实现籽晶块的嵌入，且在螺旋选晶器与籽晶块内嵌结构的交接处设有防止杂晶结构，通过籽晶块、螺旋选晶器和防止杂晶结构的共同作用，精确控制了单晶零件的一次和二次枝晶取向，有效避免了直接浇注过程中对籽晶块与螺旋选晶器内壁之间的冲刷作用，提高了单晶零件的性能和质量，减少了单晶零件中的杂晶含量。本方法结合了光固化成型、凝胶注模技术、定向凝固技术实现单晶零件的铸造成型。其中通过光固化快速成型技术和凝胶注模技术，得到具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的一体化铸型，相较熔模铸造技术，大大简化了铸型制备流程，消除了铸型制造过程中的定位，缩短了单晶零件的生产周期，提高了生产效率。经过本方法，能够使单晶零件的一次枝晶取向偏离角小于5，二次枝晶取向偏离角小于45°，且具有较少杂晶，因此推动了航空发动机和工业燃气轮机的发展。

进一步地，本方法能够根据材料设计优化，成型的陶瓷铸型材料种类丰富，包括氧化铝陶瓷铸型，氧化硅陶瓷铸型，氧化钙陶瓷铸型和氧化钇陶瓷铸型等；本方法还能够面向多种合金材料的浇注，如镍基高温合金，钴基高温合金，铌硅基高温合金、钛铝合金等，因此在本领域具有宽广的应用前景。

附图说明

图1为实施例1中具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化树脂模具原型的CAD模型示意图；

图2为图1中A的局部放大图；

图3为实施例1中防止杂晶结构示意图。

其中：1-单晶叶片型芯/型壳一体化铸型；2-螺旋选晶器过渡段；3-螺旋选晶器选晶段；4-螺旋选晶器引晶段；5-水冷铜盘；6-籽晶块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合具体的实例对本发明做进一步的详细说明，所述是对发明的解释而不是限定。

实施例

一种基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，包括以下步骤：

步骤一，制造单晶零件及具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化树脂模具原型

本发明利用光固化快速成型技术制造树脂模具，根据铸造工艺要求，确定铸型各部分结构，主要包括空心涡轮叶片型芯/型壳一体化铸型，螺旋选晶系统，和水冷铜盘。其中，螺旋选晶器引晶段的外型为圆柱型，高度为30mm，外径为18mm，内部为带有过渡圆角的圆柱，籽晶块采用圆柱形籽晶进行内嵌，螺旋选晶器引晶段圆柱外径与籽晶块直径比为4:3，即籽晶块内嵌结构的内径D＝13.5mm。螺旋选晶器选晶段的主要参数为：螺旋升角(选晶器角度)为45°，螺旋线直径为12mm，螺径为5mm，螺旋圈数为1.25圈。使用光固化成型机制造出叶片树脂原型，具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化树脂模具原型的CAD模型示意图参见图1，为针对螺旋选晶器底端设置的籽晶块内嵌结构和籽晶块的嵌合结构如图2所示。

参见图3，为本实施例中防止杂晶结构的示意图，具体设计在螺旋选晶器引晶段内壁与籽晶块内嵌结构交接处，D为籽晶块内嵌结构的内径或边长，d为防止杂晶结构的内径，l为防止杂晶结构的厚度。其中，防止杂晶结构的内径d＝10mm，防止杂晶结构的厚度l＝4mm。

在其他具体的实施方式中，防止杂晶结构的厚度能够沿螺旋选晶器引晶段的浇注通道延伸。

步骤二，配制陶瓷浆料

首先将有机物溶于去离子水中，依次加入分散剂和混合均匀的氧化铝陶瓷粉末与矿化剂粉末制成陶瓷浆料，浇注前加入引发剂和催化剂，混合均匀同时抽真空除去陶瓷浆料中气泡，制成粘度小于1Pa·S；通过浇注系统将陶瓷浆料灌注到一体化树脂模具原型的型腔中。

其中陶瓷粉末可分别选用粒径为0.1～40μm的氧化铝粉，矿化剂粉末占陶瓷粉末质量的5％。

步骤三，冷冻干燥和高温烧结

待陶瓷浆料固化原位成型后，将陶瓷坯体转入真空干燥箱中，根据坯体大小确定干燥时间，叶片陶瓷铸型干燥时间为48h，待坯体干燥后取出。控制升温速率为30℃/h，在600℃条件下将树脂模具和有机凝胶烧失，控制升温速率为360℃/h，在1300℃条件下，对陶瓷铸型胚体进行烧结。本发明中通过高温烧结，在矿化剂的作用下，氧化铝基陶瓷铸型室温抗弯强度可达到65.5MPa，高温抗弯强度达到15MPa。

步骤四，定向凝固和叶片脱芯

获得符合定向凝固要求的一体化铸型后，在铸型底部嵌入圆柱形籽晶块，材料为镍基单晶高温合金，并将陶瓷铸型与水冷铜盘相连。之后将其置于三室真空定向凝固炉中进行单晶涡轮叶片的定向凝固铸造。涡轮叶片材料选为镍基高温合金，浇注温度为1550℃，调控水冷铜盘抽拉速度为5mm/min，利用籽晶的外延生长和螺旋选晶器的选晶作用，实现单晶涡轮叶片完整成型。待叶片冷却后，直接防止叶片表面陶瓷铸型，对叶片内部残留的陶瓷型芯采用强碱腐蚀脱芯工艺，选用的脱芯液是浓度为60wt％的KOH溶液，最终得到单晶叶片，该单晶叶片一次枝晶取向偏离角为3°，和二次枝晶取向偏离角为20°，杂晶较少。

该方法从单晶涡轮叶片制造过程着手，并结合光固化快速成型技术和凝胶注模技术，制备出具有籽晶块内嵌结构的一体化陶瓷铸型，并通过定向凝固技术完成对单晶涡轮叶片的制造。

综上所述，本发明公开的一种基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，基于以光固化快速成型技术为基础的型芯/型壳一体化铸型技术，结合光固化成型、凝胶注模技术、定向凝固技术，实现单晶零件的铸造成型，本方法通过在螺旋选晶器引晶段底端设计内嵌结构，实现籽晶块的嵌入，且在螺旋选晶器与籽晶块内嵌结构的交接处设有防止杂晶结构，通过籽晶块、螺旋选晶器和防止杂晶结构的共同作用，精确控制了单晶零件的一次和二次枝晶取向根据材料设计优化，有效避免了直接浇注过程中对籽晶块与螺旋选晶器引晶段内壁产生的冲刷作用。本发明成型的陶瓷材料种类丰富，包括氧化铝基，氧化硅基，氧化钙基和氧化钇基，可面向多种合金材料的浇注，如镍基高温合金，钴基高温合金，铌硅基高温合金、钛铝合金等。一体化铸型内嵌结构可以包括圆柱形，立方体形，锥形等，通过内嵌籽晶块的螺旋选晶系统成型出符合要求的单晶零件。籽晶法的外延生长和螺旋选晶法的选晶作用，精确控制单晶零件枝晶的取向，减少了杂晶，提高了单晶零件的性能和质量，缩短了制造周期，保证了单晶零件制造的可靠性。

相较传统的选晶系统和熔模铸造技术，本发明通过光固化快速成型技术和凝胶注模技术，在选晶器的引晶段底部设计内嵌结构，嵌入籽晶块，得到带籽晶块内嵌结构的一体化陶瓷铸型，通过籽晶的外延生长和螺旋选晶器的选晶作用，精确控制单晶零件的一次和二次枝晶取向并减少了杂晶，提高了单晶零件的性能和质量，并简化了铸型制备流程，缩短了叶片的生产周期，推动了航空发动机和工业燃气轮机的发展。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制造单晶零件及具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的一体化树脂模具原型通过CAD设计单晶零件及螺旋选晶器的结构模型，螺旋选晶器底端设计有籽晶块内嵌结构，在螺旋选晶器与籽晶块内嵌结构的交接处设有防止杂晶结构；

采用光固化3D打印快速成型技术，成型出单晶零件及具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器相连接的一体化树脂模具原型；

2)制造具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的一体化铸型

向上述一体化树脂模具原型中浇注陶瓷浆料，通过凝胶注模法使陶瓷浆料固化原位成型，得到陶瓷铸型的坯体，再将陶瓷铸型的坯体经过真空冷冻干燥和高温烧结强化，得到与所要制备单晶零件匹配的具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的一体化铸型；

3)获得单晶零件

将籽晶块嵌入上述制备的一体化铸型中螺旋选晶器底端的籽晶块内嵌结构内部形成配合，并将带有籽晶块的一体化铸型与水冷铜盘相连，浇注高温合金后，采用定向凝固技术实现单晶零件的成型；待单晶零件冷却后，脱芯得到单晶零件。

2.根据权利要求1所述的基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，其特征在于，步骤2)中，所述陶瓷铸型为氧化物高温结构陶瓷铸型。

3.根据权利要求2所述的基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，其特征在于，所述氧化物高温结构陶瓷铸型包括氧化铝陶瓷铸型、氧化硅陶瓷铸型、氧化钙陶瓷铸型和氧化钇陶瓷铸型。

4.根据权利要求1所述的基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，其特征在于，步骤3)中，所述高温合金包括镍基高温合金、钴基高温合金、铌硅基高温合金和钛铝合金。

5.根据权利要求1所述的基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，其特征在于，籽晶块内嵌结构为圆柱形、立方形或圆锥形。

6.根据权利要求5所述的基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，其特征在于，当籽晶块内嵌结构为圆柱形时，籽晶块内嵌结构的内径与螺旋选晶器引晶段的外径比为3:4～4:5。

7.根据权利要求5所述的基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，其特征在于，当籽晶块内嵌结构为立方形时，籽晶块内嵌结构的边长与螺旋选晶器引晶段的外径比为2:1～9:5。

8.根据权利要求5所述的基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，其特征在于，当籽晶块内嵌结构为圆锥形时，籽晶块内嵌结构的底面直径与螺旋选晶器引晶段的外径比为3:4～4:5。

9.根据权利要求1所述的基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，其特征在于，防止杂晶结构设置在螺旋选晶器引晶段内壁与籽晶块内嵌结构的交接处。

10.根据权利要求1或9所述的基于具有籽晶块内嵌结构螺旋选晶器的凝胶注模一体化铸型成型单晶零件的方法，其特征在于，防止杂晶结构的内径d与螺旋选晶器引晶段内嵌结构的内径或边长D的比为1:2～4:5，防止杂晶结构的厚度l≥4mm。

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