CN115042301B - 基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法，基于光固化快速成型技术成型型芯和工件的树脂模型，采用光固化成型技术使得型芯可以不受金属模具的限制而任意成型型芯，无需设计制作型芯压制模具和蜡模模具，提高成型效率，然后将树脂模型和工件进行装配形成复合模型，然后在复合模具的表面挂陶瓷浆料形成型壳，最后通过高温烧结使陶瓷硬化，同时去除内部的树脂模型，提高抗变形能力，更加有利于单晶叶片的铸造成功。

Description

基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体为一种基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法。

背景技术

涡轮叶片是航空发动机和重型燃气轮机的关键部件，随着现代能源动力发展的需求，涡轮发动机被提出更高推重比、更高效率的要求，从而对空心涡轮叶片的冷却流道结构提出更高考验，涡轮叶片的性能水平(特别是承温能力)成为热动力设备先进程度的重要标志，从某种意义上讲，也是制造技术水平的显著标志之一。为了提高涡轮叶片的承温能力，国内外主要是通过设计特殊形状和结构的气流道来提高叶片的冷却效率，因此对其制造的要求越来越高。

目前，涡轮叶片采用气孔和空心通风结构来提高散热能力。空心涡轮叶片的特点是叶身长，而且从叶根旁边进气，这样给空心叶片的制造带来很大困难。当前国内外复杂空心涡轮叶片的主要制造工艺是熔模铸造。其工艺流程主要包括型芯模具的设计与制造、压制型芯、蜡模模具的设计与制造、装配注蜡、涂浆制壳、干燥型壳、脱蜡、烧结、浇注金属、脱芯、激光打孔等环节。该工艺在大批量生产涡轮叶片方面有成形精度高、尺寸稳定等优点，但仍有以下几方面的不足：产品开发周期长、成本高；工艺过程复杂，控制难度大，不利于产品的更新换代；难以实现空间交错的空心叶片的制造；型芯型壳分开成形，装配时易产生定位误差，叶片易穿孔，成品率低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法，该制备方法使空心叶片铸造工艺过程简化，生产周期缩短并且能够提高铸型的质量。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法，包括以下步骤：

步骤1、构建待成型工件的数字化模型，以及根据待成型工件的内部空腔和气流通道构建对应型芯的数字化模型；

步骤2、根据步骤1构建的数字化模型，结合增材制备方法分别制备型芯和待成型工件的树脂模型；

步骤3、将树脂模型和型芯进行装配形成复合模具；

步骤4、在复合模具的表面形成随型的型壳，得到铸型素坯；

步骤5、去除铸型素坯中的树脂模型，得到该成型工件的铸造模型。

优选的，步骤2中所述增材制造方法为DLP光固化方法。

优选的，步骤3中将树脂模型分解为若干部件，然后将各个部件逐一包覆在型芯的对应位置形成复合模具。

优选的，步骤1中所述待成型工件的数字化模型由多个部件拼接形成，步骤2中对每个部件的数字化模型分别成型。

优选的，所述待成型工件为涡轮叶片，将涡轮叶片沿叶片和叶缘板连接处分割，然后沿叶片的长度方法并经过空腔将叶片分割为多个部分。

优选的，在叶身和叶缘板的拼接处设置有固定结构。

优选的，步骤4中在复合模具的表面挂多层陶瓷浆料凝固形成型壳。

优选的，所述型壳的厚度为3-5mm。

优选的，步骤5中对铸型素坯进行冷冻干燥，然后对干燥后的铸型素坯进行高温烧结使陶瓷型壳硬化并去除树脂模型，得到该成型工件的铸造模型。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法，基于光固化快速成型技术成型型芯和工件的树脂模型，采用光固化成型技术使得型芯可以不受金属模具的限制而任意成型型芯，无需设计制作型芯压制模具和蜡模模具，提高成型效率，将树脂模型和型芯进行装配形成复合模型，然后在复合模具的表面挂陶瓷浆料形成型壳，最后通过高温烧结使陶瓷硬化，同时去除内部的树脂模型，提高铸造模型的抗变形能力，更加有利于单晶叶片的铸造成功。

进一步，薄壁型壳比厚壁型壳热传导快，具有更高的温度梯度，采用3-5mm的薄壁型壳，更加有利于单晶叶片的铸造成功。

附图说明

图1为本发明制备的铸造模型的结构示意图；

图2为涡轮叶片的端面图；

图3为实施例中叶片和叶缘板连接结构图；

图4为本发明涡轮叶片的结构示意图。

图中：1、型壳；2、型芯；3、气流通道；4、榫根；5、T型槽；6、T型块；7、叶片；8、叶缘板。

具体实施方式

下面结合附图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。

本发明的目的在于制备一种带有空腔的工件，该工件的内部具有至少一个单端或两端均贯穿工件的空腔，工件的侧壁上设置与多个气流通道，气流通道与空腔连通。

参阅图1-4，基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法，包括以下步骤：

步骤1、构建待成型工件的数字化模型，以及根据待成型工件的内部空腔和气流通道结构，构建对应型芯2的数字化模型。

具体的，采用三维软件构建待成型工件的数字化模型，以及空腔对应的型芯，三维软件可以采用UG、ProE或solidworks。

步骤2、根据步骤1构建的数字化模型，结合增材制造方法分别制备型芯和待成型工件的树脂模型。

所述增材制造方法为DLP光固化方法，所述芯轴为陶瓷型芯。

步骤3、将步骤2制备的型芯装配至树脂模型对应的空腔中得到复合模具。

装配方法如下，将树脂模型分解为若干部件，然后将各个部件逐一包覆在型芯的对应位置形成复合模具，并在树脂模型与型芯之间预留一定量的间隙，间隙为1-2mm，避免浇铸金属液之后型芯的体积受热增大，以及用于成型气流通道的柱体受热膨胀挤压型壳导致损坏。

步骤4、在复合模具的表面形成随型的型壳。

具体的，在复合模型模具外表面挂陶瓷浆料，待其陶瓷浆料凝固后，在凝固的陶瓷浆料上再挂一层陶瓷浆料，重复该步骤多次直到形成一定厚度的型壳，得到铸型素坯。

所述陶瓷浆料的成分包括陶瓷材料和粘接剂，陶瓷材料和粘接剂的质量比为1：1.3，将配置的陶瓷浆料放入球磨罐中进行球磨，最终获得组织均匀的陶瓷浆料。

所述陶瓷材料为锆沙粉浆料、刚玉砂粉浆料、莫来石沙粉浆料、石英粉浆料、高岭石粉或铝矾土浆料。所述粘接剂为硅溶胶。

在本实施例中，在复合模型模具的表面分层挂多种不同的陶瓷浆料，首先在复合模型模具的表面挂两层石英粉浆料，然后在形成的石英粉浆料层上挂两层高岭石粉浆料，最后在形成的高岭石粉浆料层上挂一层铝矾土浆料形成背层，每挂一层陶瓷浆料并在表面进行撒砂，最终形成的型壳厚度为3-5mm。

步骤5、去除铸型素坯中的树脂模型，得到该成型工件的铸造模型。

具体的，首先对铸型素坯进行冷冻干燥并开设浇口，然后对干燥后的铸型素坯进行高温烧结使陶瓷型壳硬化，同时高温烧结过程中使树脂模型气化去除，在烧结后的铸型素坯中形成空腔，得到该成型工件的铸造模型，采用该铸造模型成型该待成型工件。

烧结温度为1500℃，烧结时间为6小时。

实施例1

下面以涡轮叶片为例，对本发明的基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法进行详细的说明。

参阅图4，为涡轮叶片的结构图，其包括榫根4，其顶部设置有叶缘板8，叶缘板的顶部设置有叶片7，叶片7的内部沿其高度方向形成有贯穿叶片顶端的多个空腔，叶片的侧壁上设置有多个气流通道3，气流通道3与空腔连通。

一种基于DLP光固化快速成型的涡轮叶片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、采用三维成型软件构建涡轮叶片的数字化模型，以及涡轮叶片内部空腔和气流通道的整体型芯的数字化模型。

步骤2、采用DLP光固化方法分别制备数字化模型对应的树脂涡轮叶片和陶瓷型芯。

步骤3、将树脂涡轮叶片拆分为若干部分，然后将其逐块安装至陶瓷型芯上得到复合模具。

由于陶瓷型芯的侧表面上形成有气流通道对应的柱体，因此树脂涡轮叶片是无法完整安装至陶瓷型芯上，同时由于叶片内部的空腔的两端直径不相同，针对该结构，在叶片与叶缘板的连接处，将涡轮叶片分为连部分，然后沿叶片的长度方法并经过空腔将叶片分为多个部分，最后，将拆分的叶片逐一安装至陶瓷型芯上，最后将叶缘板和叶片连接形成复合模具。

步骤4、在复合模具的表面挂多层陶瓷浆料形成随型的型壳1，进而得到铸型素坯。

步骤5、对铸型素坯进行冷冻干燥，然后对干燥后的铸型素坯进行高温烧结使陶瓷型壳硬化，去除树脂涡轮叶片，得到涡轮叶片的铸造模型。

实施例2

该实施例与实施例不同之处在于树脂涡轮叶片的制作过程，具体如下：

步骤1、采用三维成型软件构建涡轮叶片的数字化模型，以及涡轮叶片内部空腔和气流通道的整体型芯的数字化模型，同时在涡轮叶片上设计用于成型浇口的浇口部，并在型芯上设计用于和下述型壳连接的固定部。

将涡轮叶片的数字化模型分解成多个部件，在叶片与叶缘板的连接处，将涡轮叶片分为两部分，然后沿叶片的长度方向并经过空腔将叶片分为多个部分，并在叶片和叶缘板的拼接处设置树脂固定结构。

参阅图2，固定结构为叶片的下端设置的T型块6，在叶缘板上设置与T型块配合的T型槽5。

步骤2、采用DLP光固化方法分别制备数字化模型对应的树脂涡轮叶片的各个部分和陶瓷型芯。

步骤3、将树脂涡轮叶片的各个部分分别装配至陶瓷型芯上，再通过T型块和T型槽将叶片和叶缘板连接形成复合模具。

步骤4、在复合模具的表面挂多层陶瓷浆料形成随型的型壳1，进而得到铸型素坯，需要说明的是，浇口部不挂陶瓷浆料。

步骤5、对铸型素坯进行冷冻干燥，然后对干燥后的铸型素坯进行高温烧结使陶瓷型壳硬化，去除树脂涡轮叶片，得到涡轮叶片的铸造模型。

本发明基于DLP光固化快速成型的涡轮叶片的制备方法，采用光固化快速成型技术并利用光固化陶瓷浆料成型型芯，不采用传统的金属模具来压制，使得型芯可以不受金属模具的限制而任意成型。采用光固化成型的一体化陶瓷型芯，避免了传统型芯的装配过程，可避免传统工艺中由于陶瓷型芯与型壳热膨胀率的差异而导致的陶瓷型芯受力断裂、变形或者偏芯等缺陷，同时避免由组装带来的误差及偏芯与穿孔的现象。使用光固化快速成型机直接成型陶瓷型芯，无需设计制作型芯压制模具和蜡模模具，可以快速开发，简化工艺，降低成本，不受模具、夹具限制，易于更新换代。使用光固化快速成型的陶瓷型芯型壳一体化铸型可以直接成型气膜孔，并能够成型异形气膜孔，省去激光打孔工艺，且做出激光打孔无法做出的异形孔，这是传统的工艺无法实现的，将树脂模型和型芯装配后形成复合模具，在其表面分层挂不同的陶瓷浆料，有利于提高抗变形能力，由于壁厚的大小影响液态金属温度梯度的很关键，且薄壁型壳比厚壁型壳热传导快，具有更高的温度梯度，采用3-5mm的薄壁型壳，更加有利于单晶叶片的铸造成功。

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 (5)

1.一种基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、构建待成型工件的数字化模型，以及根据待成型工件的内部空腔和气流通道构建对应型芯的数字化模型；

步骤2、根据步骤1构建的数字化模型，结合DLP光固化方法分别制备型芯和待成型工件的树脂模型；

步骤3、将树脂模型分解为若干部件，然后将各个部件逐一包覆在型芯的对应位置形成复合模具，具体如下：

待成型为涡轮叶片，将涡轮叶片在叶片与叶缘板的连接处进行分割，然后沿叶片的长度方向并经过空腔将叶片分为多个部分，将拆分的叶片逐一安装至型芯上，最后将叶缘板和叶片连接形成复合模具；

步骤4、在复合模具的表面形成随型的型壳，得到铸型素坯；

步骤5、对铸型素坯进行冷冻干燥，然后对干燥后的铸型素坯进行高温烧结使陶瓷型壳硬化并去除树脂模型，得到该成型工件的铸造模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法，其特征在于，步骤1中所述待成型工件的数字化模型由多个部件拼接形成，步骤2中对每个部件的数字化模型分别成型。

3.根据权利要求1所述的一种基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法，其特征在于，在叶身和叶缘板的拼接处设置有固定结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法，其特征在于，步骤4中在复合模具的表面挂多层陶瓷浆料凝固形成型壳。

5.根据权利要求4所述的一种基于光固化面曝光成形的一体化陶瓷铸型制备方法，其特征在于，所述型壳的厚度为3-5mm。