CN113333669A - 一种单晶叶片的快速制备方法 - Google Patents

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梁静静
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Abstract

本发明涉及高温合金熔模精密铸造技术领域，具体为一种单晶叶片的快速制备方法。将叶片模型输入至3D打印设备中，采用3D打印叶片蜡模，去除支撑蜡后，将叶片蜡模组合成模组，再进行制壳、熔铸和热处理，即可得到单晶叶片铸件。本发明方法具有快速高效和成本低的特点，尤其适用于小量多品种的单晶叶片，可大幅缩短铸件的制造周期。本发明可以避免单晶叶片的模具制作环节，使叶片的制造周期缩短一半以上，且该方法所制造叶片的表面质量与常规熔模铸造的表面质量相当。

Description

一种单晶叶片的快速制备方法
技术领域
本发明涉及高温合金熔模精密铸造技术领域，具体为一种单晶叶片的快速制备方法。
背景技术
为了满足航空发动机不断提高的推力和工作温度的需求，其关键承温部件以单晶叶片为主。单晶叶片采用熔模精密铸造的方法制备，依据叶片结构，进行模具设计，制备相应的叶片蜡型模具，再进行蜡型组合，在其外表包裹多层粘土、粘结剂等耐火材料制备型壳，再去除蜡型，经过浇注合金液后定向凝固成型铸件，再去除型壳后经热处理即可得到最终的单晶叶片铸件。
在单晶高温合金叶片的生产和使用过程中，模具设计和制造占用的周期约为整个制造周期的1/2到1/3，且存在返修或返工重做等问题，导致制造周期和成本都大幅增加。因此，对数量不多且生产周期要求短的单晶叶片，急需一种快速高效制备的方法。
经过专利文献检索，已有3D打印蜡模的报道。中国实用新型专利申请(公开号CN211727386U)提出了一种3D打印蜡模的方法，主要关注了蜡型结构的设计，该方法不能用于单晶叶片蜡型的打印。中国发明专利申请(公开号CN110695358B)提出了一种钛合金单晶叶片的丝材增材制造方法，接在金属基材上3D打印钛合金单晶叶片，但金属直接打印的粗糙度难以满足使用需求。因此，目前尚缺乏能快速制备表面质量满足要求的单晶叶片制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单晶叶片的快速制备方法，主要适用于外型结构复杂的单晶工作叶片和导向叶片的快速制备，同时也适用于等轴晶工作叶片和导向叶片的快速制备。
本发明的技术方案是：
一种单晶叶片的快速制备方法，将叶片模型输入至3D打印设备中，采用3D打印叶片蜡模，去除支撑蜡后，将叶片蜡模组合成模组，再进行制壳、熔铸和热处理，即可得到单晶叶片铸件。
所述的单晶叶片的快速制备方法，叶片为实心结构，叶片为转子叶片或导向叶片，叶片的高度从3mm～500mm。
所述的单晶叶片的快速制备方法，在叶片模型上连接单晶引晶结构模型，再将整体模型输入至3D打印设备中，设定打印收缩率后，将单晶引晶结构与单晶叶片蜡模一体打印。
所述的单晶叶片的快速制备方法，打印收缩率设定为1～3％。
所述的单晶叶片的快速制备方法，3D打印叶片蜡模由叶片蜡模主体和支撑蜡组成，打印完成后去除支撑蜡，得到叶片蜡模。
所述的单晶叶片的快速制备方法，去除支撑蜡的溶液温度为20～50℃。
所述的单晶叶片的快速制备方法，3D打印叶片蜡模采用蓝光扫描仪或三坐标仪检测蜡模尺寸，如蜡模尺寸不符合要求，根据结果调整3D打印蜡模反向尺寸，反复迭代快速得到尺寸符合要求的叶片蜡模。
本发明的设计思想是：
基于3D打印蜡模技术，制备表面质量和尺寸稳定的蜡模，同时在蜡模上直接打印出引晶结构，提高单晶叶片的单晶完整性，再进行制壳、定向凝固成型单晶叶片铸件，经过热处理得到最终状态的单晶叶片铸件。叶片尺寸的控制通过检测后反复迭代，实现快速得到尺寸符合要求的叶片蜡模，进而得到尺寸满足要求的单晶叶片。由于本过程中省去了模具设计、制造和返修周期，可大幅缩短单晶叶片制备周期。
本发明具有如下优点及有益效果：
1、本发明易操控、叶片生产周期短、成本低。
2、本发明可以通过3D打印蜡模与蜡模尺寸检测相结合，降低后期铸造过程中的叶片尺寸问题，保证对叶片尺寸的控制，减少叶片铸件尺寸的偏差，增加单晶高温合金精铸件的成品率。
3、本发明主要适合单晶转子叶片和导向叶片的制造，也适用于等轴晶叶片的制造。
附图说明
图1为本发明实施方式的单晶叶片快速制备方法的流程图。
图2为实施例1中的叶片数模及3D打印蜡模图片。
图3为实施例3中的叶片数模及3D打印蜡模图片。
具体实施方式
在具体实施过程中，如图1所示，单晶涡轮转子叶片或工作叶片的制备方法为：在叶片模型上连接单晶引晶结构模型，再将整体模型输入至3D打印设备中，设定打印收缩率后，打印出叶片蜡模，再用醇类有机混合溶液去除支撑蜡，获得叶片蜡模。支撑蜡一般为容易去除的水溶性好或熔点低的材料，其作用一是在蜡模底部堆叠3mm以上，避免蜡模与打印平台直接接触，以达到保护作用；作用二是在逐层堆积成型的打印过程中，填充模型的中空结构。采用蓝光扫描仪或三坐标仪检测叶片蜡模的尺寸，如不符合蜡模的尺寸要求，根据检测结果进行反复迭代打印叶片蜡模，直至得到符合尺寸要求的叶片蜡模。再将蜡模与冒口组合制成单晶模组，然后制壳、定向凝固和热处理，得到单晶叶片铸件。单晶叶片为实心结构，叶片的高度从3mm～500mm。
下面，通过实施例进一步详述本发明。
实施例1
本实施例中，一种单晶叶片快速制备方法如下：
设计叶片模型，叶片高度为50mm，在叶尖部位添加引晶结构，并在叶片模型底部设置支撑蜡结构，将设置好的模型输入至3D打印设备，设定收缩率为2％，打印蜡模。完成打印后，将蜡模浸洗于45℃的酒精、聚丙二醇(PPG)按体积比例1:1混合溶剂中20min，去除支撑蜡结构。再将打印的蜡模利用蓝光扫描仪进行外型尺寸检测，蜡模尺寸与理论尺寸对比的偏差满足铸件的尺寸公差要求，即获得尺寸合格的蜡模(图2)。将该蜡模与单晶冒口连接起来，组成单晶模组。然后将模组表面清洗干净，涂挂料浆和刚玉砂6遍，形成型壳湿坯，再用脱蜡釜脱除蜡料，980℃焙烧2h后制备出型壳。最后将型壳放入单晶炉中浇注入合金溶液定向凝固成型单晶叶片。成型后去除表面型壳，切去冒口后热处理即得到单晶叶片铸件。全过程单批次制造周期为20天。
对该方法制备的单晶叶片铸件进行表面荧光检测，荧光合格率达95％。对铸件进行三坐标仪尺寸检测，合格率达95％。
实施例2
本实施例中，一种单晶叶片快速制备方法如下：
设计叶片模型，叶片高度为25mm，由于叶片尺寸较小可不设置引晶结构，并在叶片模型底部设置支撑蜡结构，将设置好的模型输入至3D打印设备，设定收缩率为1.9％，打印蜡模。蜡模打印后将蜡模浸洗于35℃的酒精、聚丙二醇(PPG)按体积比例1:1混合溶剂中50min，去除支撑蜡结构。再将打印的蜡模利用蓝光扫描仪进行外型尺寸检测，蜡模尺寸与理论尺寸对比的偏差满足铸件的尺寸公差要求，即获得尺寸合格的蜡模。将该蜡模与单晶冒口连接起来，组成单晶模组。然后将模组表面清洗干净后，涂挂料浆和刚玉砂6遍，形成型壳湿坯，再用脱蜡釜脱除蜡料，在980℃焙烧2h后制备出型壳。最后将型壳放入单晶炉中浇注入合金溶液定向凝固成型单晶叶片。成型后去除表面型壳，切去冒口后热处理即得到单晶叶片铸件。全过程单批次制造周期为18天。
对该方法制备的单晶叶片铸件进行表面荧光检测，荧光合格率达95％。对铸件进行三坐标仪尺寸检测，合格率达100％。
实施例3
本实施例中，一种单晶叶片快速制备方法如下：
设计叶片模型，叶片高度为250mm，在榫头部位添加引晶结构，并在叶片模型底部设置支撑蜡结构，将设置好的模型输入至3D打印设备，设定收缩率为2％，打印蜡模。蜡模打印后将蜡模浸洗于48℃的酒精、聚丙二醇(PPG)按体积比例1:1混合溶剂中20min，去除支撑蜡结构。再将打印的蜡模利用蓝光扫描仪进行外型尺寸检测，蜡模尺寸与理论尺寸对比的偏差超出了铸件的尺寸公差要求，对超差位置针对模型进行相应的修改，再重新输入3D打印设备打印和去除支撑蜡，尺寸检测蜡模尺寸与理论尺寸对比的偏差符合铸件的尺寸公差要求，即获得尺寸合格的蜡模(图3)。将该蜡模与单晶冒口连接起来，组成单晶模组。然后将模组表面清洗干净后，涂挂料浆和刚玉砂6遍，形成型壳湿坯，再用脱蜡釜脱除蜡料，在980℃焙烧2h后制备出型壳。最后将型壳放入单晶炉中浇注入合金溶液定向凝固成型单晶叶片。成型后去除表面型壳，切去冒口后热处理即得到单晶叶片铸件。全过程单批次制造周期为22天。
对该方法制备的单晶叶片铸件进行表面荧光检测，荧光合格率达90％。对铸件进行三坐标仪尺寸检测，合格率达95％。
实施例结果表明，本发明将叶片模型输入至3D打印设备，3D打印叶片蜡模，去除支撑蜡后，将叶片蜡模组合成模组，再进行制壳、定向凝固和热处理，即可得到单晶叶片铸件。本发明方法具有快速高效和成本低的特点，尤其适用于小量多品种的单晶叶片，可大幅缩短铸件的制造周期。本发明可以省去单晶叶片的模具制作环节，使叶片的制造周期缩短一半以上，且该方法所制造叶片的表面质量与常规熔模铸造的表面质量相当。

Claims (7)

1.一种单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，将叶片模型输入至3D打印设备中，采用3D打印叶片蜡模，去除支撑蜡后，将叶片蜡模组合成模组，再进行制壳、熔铸和热处理，即可得到单晶叶片铸件。
2.按照权利要求1所述的单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，叶片为实心结构，叶片为转子叶片或导向叶片，叶片的高度从3mm～500mm。
3.按照权利要求1所述的单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，在叶片模型上连接单晶引晶结构模型，再将整体模型输入至3D打印设备中，设定打印收缩率后，将单晶引晶结构与单晶叶片蜡模一体打印。
4.按照权利要求3所述的单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，打印收缩率设定为1～3％。
5.按照权利要求1所述的单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，3D打印叶片蜡模由叶片蜡模主体和支撑蜡组成，打印完成后去除支撑蜡，得到叶片蜡模。
6.按照权利要求1或5所述的单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，去除支撑蜡的溶液温度为20～50℃。
7.按照权利要求1所述的单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，3D打印叶片蜡模采用蓝光扫描仪或三坐标仪检测蜡模尺寸，如蜡模尺寸不符合要求，根据结果调整3D打印蜡模反向尺寸，反复迭代快速得到尺寸符合要求的叶片蜡模。
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