CN115533036A - 一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法，包括：步骤(1)、根据叶片结构，定制叶片铸型形状并建立三维模型；步骤(2)、分别配置型芯陶瓷浆料与型壳陶瓷浆料；步骤(3)、将不同材料的型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料分别注入打印机的树脂池和直写装置中；步骤(4)、通过直写光固化同步成型，得到多材料一体化叶片坯体；步骤(5)、对坯体进行冷冻干燥，脱脂烧结后，得到一体化铸型模具。本发明该铸型型壳采用结构稳定性好的陶瓷浆料直写成型，型芯采用易溶失化学稳定性强的陶瓷浆料光固化成型，再保证铸型精度的同时，大大减小了脱芯难度。解决了传统单材料陶瓷铸型无法兼顾性能，多材料陶瓷铸型制造难的问题。

Description

一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体为一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法。

背景技术

航空发动机以及工业燃气轮机中的空心涡轮叶片属于现代工业中的关键部件之一，其通常处在整个机械部位的热端，承受启动停车时的高温燃气冲刷、温度交变，工作在高压高温的恶劣极端环境中。铸造空心涡轮叶片中过程中，陶瓷型壳需要承受一定的热冲击及机械冲击，陶瓷型芯需要在高温金属液中浸泡较长时间，且凝固中在型芯高度方向存在较大温度梯度，这要求其需要具有足够的强度，优良的抗蠕变能力和化学稳定性，以及适当的化学活性以便后续脱芯。这些问题成为了涡轮叶片制造乃至精铸行业的技术瓶颈。

现有的铸造方案型芯型壳多为单一材料，工艺时间长，成本较高，无法针对型芯型壳的不同需求调整材料。且随着先进冷却技术的发展，空心叶片内部的结构日益复杂，传统铸造中型芯的制备和脱除也严重制约着空心涡轮叶片的发展。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法，采用复合快速成型方式直接制造一体化铸型，保证型壳强度的同时不影响型芯的脱除，易于设计加工。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法，包括以下步骤：

步骤(1)、根据叶片结构，定制叶片铸型形状并建立三维模型；

步骤(2)、分别配置型芯陶瓷浆料与型壳陶瓷浆料；

步骤(3)、将不同材料的型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料分别注入打印机的树脂池和直写装置中；

步骤(4)、通过直写光固化同步成型，得到多材料一体化叶片坯体；

步骤(5)、对坯体进行冷冻干燥，脱脂烧结后，得到一体化铸型模具。

本发明进一步的改进在于，步骤(1)中定制叶片铸型的三维模型，其包括型芯及型壳两部分，型壳采用直写成型，型芯采用光固化成型。

本发明进一步的改进在于，步骤(2)中型芯陶瓷浆料为具有光固化特性树脂的氧化硅浆料。

本发明进一步的改进在于，步骤(2)中型壳陶瓷浆料为具有剪切变稀性质，适于直写的氧化铝或碳化硅浆料。

本发明进一步的改进在于，步骤(4)中的直写光固化同步成型，在进行同一平面打印时，先执行光固化模式打印，再进行直写模式打印。

本发明进一步的改进在于，步骤(4)中，根据叶片形状，建立模具的三维模型并转换为STL文件，采用Simplify3D软件对三维模型进行分层并规划打印路径。

本发明进一步的改进在于，步骤(4)中，在光固化模式，下沉工作平台直至树脂池内液面浸没至指定层厚，启动激光器，利用激光束成型陶瓷型芯。

本发明进一步的改进在于，步骤(4)中，在直写模式，利用螺杆挤压从直写成型打印头挤出陶瓷浆料，成型陶瓷型壳部分。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法，采用复合增材制造装置，将直写成型与立体光固化技术优势互补，型芯易溶失陶瓷浆料以及型壳的高硬度陶瓷浆料，分别采用光固化以及直写两种方式同步成型，最终得到多材料一体化叶片铸型。简化了多材料铸型的成型步骤，同时解决了传统单材料叶片铸型无法兼顾强度与脱芯的问题。

综上，本发明通过直写光固化一体成型，直写成型碳化硅/氧化铝等浆料成型型壳，光固化氧化硅等浆料成型型芯，不同区域采取不同的增材制造方式，以实现铸型性能的最优解。

附图说明

图1为本发明中所采用的一体化成型设备工作示意图；

附图标记说明：

1、激光发射器，2、铸型型壳，3、树脂池，4、工作平台，5、铸型型芯，6、直写成型装置，7、直写-光固化一体平台。

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。

一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法，包括以下步骤：

步骤1、制备陶瓷型芯光固化浆料；

将粉末粒径分别为100μm、40μm、5μm、2μm的氧化硅粉末颗粒进行球磨混合级配，级配后的陶瓷颗粒粉末加入适量刚玉粉及锆英石粉作为矿化剂，球磨混合1h备用。

以PUA(聚氨酯丙烯酸酯)为低聚物，HDDA(16-己二醇二丙烯酸酯)、TMPTA(三羟甲基丙烷三丙烯酸酯)为活性稀释剂，TPO(2,4,6-三甲基苯甲酰二苯氧膦)为光引发剂制备光敏树脂。

将上述配置好的光敏树脂以及粉体按照60％固相含量的比例混合，在均质机中分别以800r/min，1400r/min，1200r/min的转速均值5h，得到用于型芯光固化成型的陶瓷浆料。

步骤2、制备陶瓷型壳直写浆料；

将粉末粒径分别为100μm、40μm、5μm、2μm的氧化铝或碳化硅粉末颗粒进行球磨混合，得到级配分布的陶瓷颗粒粉末。

将PEI(聚乙烯亚胺)与PAA(聚丙烯酸)以200：1的质量比溶解至去离子水中，加入适量GG(瓜儿豆胶)作为粘结剂，超声波震荡15min混合均匀，然后加入实现级配好的氧化铝或碳化硅粉末，在均质机中以1200r/min的转速均质15min，得到用于型壳直写成型的陶瓷浆料。

步骤3、浆料装入及打印准备；

如图所示，本发明采用的一体化成型设备，包括激光发射器1、铸型型壳2、树脂池3、工作平台4、铸型型芯5、直写成型装置6和直写-光固化一体平台7。

将陶瓷型芯光固化浆料注入树脂池中，液面不超过树脂槽总深度的2/3，将陶瓷型壳直写浆料真空均质后，缓慢注入直写成型机构的料筒中，避免浆料在料筒中产生空隙。

根据叶片形状，建立模具的三维模型并转换为STL文件，采用Simplify3D软件对三维模型进行分层并规划打印路径。

进入光固化模式，下沉工作平台直至树脂池内液面浸没至指定层厚，启动激光器，利用激光束成型陶瓷型芯。

光固化步骤完成，基板抬出树脂池，直写-光固化一体平台移动，进入直写模式，利用螺杆挤压从直写成型打印头挤出陶瓷浆料，成型陶瓷型壳部分。

重复光固化模式与直写成型模式，完成铸型打印。

步骤4、冷冻干燥；

对陶瓷模具进行80h的真空冷冻干燥，去除型壳及型芯中的水分。然后，用真空烧结炉在262、365、505℃分别保温1h，对模具进行脱脂，再升温至1200℃保温6h，使陶瓷型芯充分烧结。

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 (8)

1.一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、根据叶片结构，定制叶片铸型形状并建立三维模型；

步骤(2)、分别配置型芯陶瓷浆料与型壳陶瓷浆料；

步骤(3)、将不同材料的型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料分别注入打印机的树脂池和直写装置中；

步骤(4)、通过直写光固化同步成型，得到多材料一体化叶片坯体；

步骤(5)、对坯体进行冷冻干燥，脱脂烧结后，得到一体化铸型模具。

2.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法，其特征在于，步骤(1)中定制叶片铸型的三维模型，其包括型芯及型壳两部分，型壳采用直写成型，型芯采用光固化成型。

3.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法，其特征在于，步骤(2)中型芯陶瓷浆料为具有光固化特性树脂的氧化硅浆料。

4.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法，其特征在于，步骤(2)中型壳陶瓷浆料为具有剪切变稀性质，适于直写的氧化铝或碳化硅浆料。

5.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法，其特征在于，步骤(4)中的直写光固化同步成型，在进行同一平面打印时，先执行光固化模式打印，再进行直写模式打印。

6.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法，其特征在于，步骤(4)中，根据叶片形状，建立模具的三维模型并转换为STL文件，采用Simplify3D软件对三维模型进行分层并规划打印路径。

7.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法，其特征在于，步骤(4)中，在光固化模式，下沉工作平台直至树脂池内液面浸没至指定层厚，启动激光器，利用激光束成型陶瓷型芯。

8.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的快速成型方法，其特征在于，步骤(4)中，在直写模式，利用螺杆挤压从直写成型打印头挤出陶瓷浆料，成型陶瓷型壳部分。

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