CN117620099A - 一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于增材制造技术领域，公开了一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法，包括：基于空心涡轮叶片原始设计模型及其变形规律，获取反变形后叶片三维模型；基于反变形后叶片三维模型，获取型芯型壳一体化铸型三维模型；基于型芯型壳一体化铸型三维模型，通过光固化激光成型技术，制备获得型芯型壳一体化铸型母模具；基于型芯型壳一体化铸型母模具，得到型芯型壳一体化铸型；基于型芯型壳一体化铸型，通过定向凝固技术，制备获得空心涡轮叶片。本发明制造方法制备的单晶空心涡轮叶片型面精度高，可解决偏芯穿孔和缘板杂晶等技术问题。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法。
背景技术
涡轮叶片是航空发动机以及燃气轮机的关键部件之一，其一般工作在高温热腐蚀环境或复杂应力环境等恶劣工作环境中；解释性的，上述的恶劣工作环境，对涡轮叶片的性能水平提出了较高的要求；涡轮叶片的性能水平不仅直接决定着航空发动机和燃气轮机的使用寿命，也体现着一个国家的国防能力和综合国力。
目前，涡轮叶片中的单晶空心涡轮叶片，通常采用熔模精密铸造工艺成型；然而，在实际生产中，精铸叶片的型面精度低、壁厚尺寸偏移大、缘板处易产生杂晶，由此导致的废品率很高。因此，单晶空心涡轮叶片的型面精度控制以及杂晶控制，成为了新型航空发动机研制的主要技术难题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的空心涡轮叶片制造方法，制备的单晶空心涡轮叶片型面精度高，可解决偏芯穿孔和缘板杂晶等技术问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法，包括以下步骤：
步骤1，基于空心涡轮叶片原始设计模型及其变形规律，获取反变形后叶片三维模型；
步骤2，基于所述反变形后叶片三维模型，获取型芯型壳一体化铸型三维模型；其中，所述型芯型壳一体化铸型三维模型包括型芯与型壳；所述型芯与所述型壳通过气膜孔柱相连，所述型壳的部分区域为变孔隙率型壳；
步骤3，基于所述型芯型壳一体化铸型三维模型，通过光固化激光成型技术，制备获得型芯型壳一体化铸型母模具；
步骤4，将陶瓷浆料注入所述型芯型壳一体化铸型母模具的空腔中，形成型芯型壳一体化铸型生胚；陶瓷浆料交联凝固后，对所述型芯型壳一体化铸型生胚进行冷冻干燥、脱脂、烧结，得到型芯型壳一体化铸型；
步骤5，基于所述型芯型壳一体化铸型，通过定向凝固技术，制备获得空心涡轮叶片。
本发明的进一步改进在于，步骤1中，所述变形规律的获取步骤包括：
根据所述空心涡轮叶片原始设计模型，采用定向凝固工艺制备获得涡轮叶片样本；
采用三维扫描设备对所述涡轮叶片样本进行扫描，获得样本叶片数据；
将所述样本叶片数据与空心涡轮叶片原始设计模型数据进行对比，得出变形规律。
本发明的进一步改进在于，步骤1中，获取反变形后叶片三维模型的步骤具体包括：
基于变形规律，获得位移场偏差；
基于位移场偏差进行反求解，获得反变形后叶片三维模型。
本发明的进一步改进在于，步骤2中，基于所述反变形后叶片三维模型，获取型芯型壳一体化铸型三维模型的步骤具体包括：
基于反变形后叶片三维模型，获取树脂母模具及浇注系统；其中，所述树脂母模具包括叶片树脂模型和树脂外壳；所述叶片树脂模型根据所述反变形后叶片三维模型获取，所述树脂外壳为对反变形后叶片三维模型的随形结构，所述叶片树脂模型设置于所述树脂外壳内，所述叶片树脂模型和所述树脂外壳形成型壳空腔，所述叶片树脂模型的内部形成型芯空腔；所述树脂外壳的内壁设置有不同直径、不同厚度的多个蜂窝状结构单元，用于烧失形成变孔隙率型壳；所述叶片树脂模型上成型有气膜孔；
基于树脂母模具及浇注系统，获取型芯型壳一体化铸型三维模型。
本发明的进一步改进在于，
所述气膜孔的直径大于等于0.4mm。
本发明的进一步改进在于，
所述蜂窝状结构单元的单根直径变化范围为0.1mm～0.5mm。
本发明的进一步改进在于，
所述蜂窝状结构单元的厚度变化范围为0mm～3mm。
本发明的进一步改进在于，
所述型芯型壳一体化铸型的型壳厚度为2mm～8mm。
本发明的进一步改进在于，
所述陶瓷浆料中添加有烧结膨胀剂。
本发明的进一步改进在于，
所述陶瓷浆料的基体材料为氧化铝、氧化硅或碳化硅；
所述烧结膨胀剂为铝硅、铝粉、氧化钇或硅粉。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的空心涡轮叶片制造方法，利用光固化激光成型的快速性，可以在短时间内进行多次反变形迭代，以实现空心涡轮叶片铸造的最佳型面精度要求；通过设计母模具树脂外壳蜂窝结构以及空腔间隙，可以精确控制型壳壁厚以及实现变孔隙率型壳的制备，能够对涡轮叶片浇注时的温度场准确控制，消除杂晶的产生；通过光固化激光快速成型可在叶片上直接成型气膜孔，随着脱脂烧结，型芯与型壳将由气膜孔柱相连接，在浇注金属时可以直接形成气膜孔，同时能够防止型芯在金属液中发生蠕变而导致涡轮叶片偏芯，实现空心涡轮叶片的精确制造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中，空心涡轮叶片原型、变形后、根据变形反变形后的截面对比示意图；
图2是本发明实施例中，树脂母模具的结构示意图；
图3是本发明实施例中，树脂母模具上的蜂窝结构示意图；
图4是本发明实施例中，型芯、型壳及气膜孔柱的结构示意图；
图中附图标记解释：
1、叶片树脂模型；2、树脂外壳；3、型壳空腔；4、型芯空腔；5、气膜孔；6、型芯；7、型壳；8、气膜孔柱；9、变孔隙率型壳。
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。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1和图4，本发明实施例提供的一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片精确制造方法，包括以下步骤：
步骤1，基于空心涡轮叶片原始设计模型及其变形规律，获取反变形后叶片三维模型；解释性的，变形规律的获取步骤包括：根据空心涡轮叶片原始设计模型，采用定向凝固工艺制备获得涡轮叶片样本；采用三维扫描设备对涡轮叶片样本进行扫描，获得样本叶片数据；将样本叶片数据与涡轮叶片原始设计模型数据进行对比得出变形规律；进一步解释性的，获取反变形后叶片三维模型的步骤包括，基于变形规律，获得位移场偏差；基于位移场偏差进行反求解，获得反变形后叶片三维模型，示例性对比如图1所示；具体示例性的，上述的反变形后叶片三维模型可使用UG、ProE或solidworks等三维建模软件进行设计；
步骤2，基于反变形后叶片三维模型，获取型芯型壳一体化铸型三维模型；其中，型芯型壳一体化铸型三维模型包括：型芯6与型壳7；型芯6与型壳7通过气膜孔柱8相连，型壳7的部分预设区域为变孔隙率型壳9，示例性的如图4所示；解释性的，前述的部分预设区域根据空心涡轮叶片定向凝固工艺中的温度场仿真确定；
步骤3，基于型芯型壳一体化铸型三维模型，通过光固化激光成型技术，制备获得型芯型壳一体化铸型母模具；
步骤4，将配制好的陶瓷浆料注入型芯型壳一体化铸型母模具的空腔中，形成型芯型壳一体化铸型生胚；陶瓷浆料交联凝固后，对型芯型壳一体化铸型生胚进行冷冻干燥、脱脂、烧结，得到型芯型壳一体化铸型；具体示例性的，型芯型壳一体化铸型的型壳厚度为2mm～8mm；进一步优选的，陶瓷浆料中添加有烧结膨胀剂；陶瓷浆料的基体材料为氧化铝、氧化硅、碳化硅等，烧结膨胀剂为铝硅、铝粉、氧化钇或硅粉；
步骤5，基于型芯型壳一体化铸型，通过定向凝固技术，制备获得空心涡轮叶片；具体示例性的，将所制造的型芯型壳一体化铸型放入定向凝固炉，通过定向凝固技术，在型芯型壳一体化铸型中浇注高温合金，经过抽拉后得到单晶或定向晶叶片，最后经过机加工、打磨、抛光等后处理手段得到所需空心涡轮叶片。
本发明实施例进一步优选的技术方案的步骤2中，基于反变形后叶片三维模型，获取型芯型壳一体化铸型三维模型的步骤具体包括：
基于反变形后叶片三维模型，获取树脂母模具及其浇注系统；示例性的，如图2所示，树脂母模具包括叶片树脂模型1和树脂外壳2；叶片树脂模型1根据反变形后叶片三维模型获取，可采用光固化激光成型技术；叶片树脂模型1设置于树脂外壳2内，叶片树脂模型1和树脂外壳2形成型壳空腔3，叶片树脂模型1的内部形成型芯空腔4；进一步示例性的，如图3所示，树脂外壳2的内壁设置有不同直径、不同厚度的多个蜂窝状结构单元，占据型壳空腔3的一部分；解释性的，多个蜂窝状结构单元用于烧失形成变孔隙率型壳9；进一步优选的，叶片树脂模型1上可成型有用于提高冷却效率的气膜孔5；具体示例性的，气膜孔5的直径取值范围在0.4mm以上。
本发明实施例中，树脂外壳2为对反变形后叶片三维模型的随形结构；其中，树脂外壳2的内壁上包含一种特殊的蜂窝状结构单元。具体示例性的，蜂窝状结构单元的单根直径变化范围为0.1mm～0.5mm，厚度变化范围为0mm～3mm，此设计可形成不同梯度的蜂窝结构，能够使得后续的型壳孔隙率梯度变化。进一步解释性的，蜂窝结构可在脱脂烧结过程中烧失，留下变孔隙率的陶瓷型壳。
本发明实施例上述的技术方案，公开了一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片精确制造方法，对所需制造的空心涡轮叶片进行反变形建模，实现空心涡轮叶片铸造的最佳型面精度要求；通过设计母模具树脂外壳蜂窝结构，可以精确控制型壳壁厚以及实现变孔隙率型壳的制备，能够对涡轮叶片浇注时的温度场准确控制，消除杂晶的产生；通过光固化激光快速成型可在叶片上直接成型气膜孔，随着脱脂烧结，型芯与型壳将由气膜孔柱相连接，在浇注金属时可以直接形成气膜孔，同时能够防止型芯在金属液中发生蠕变而导致涡轮叶片偏芯，实现了空心涡轮叶片的精确制造。
本发明实施例进一步优选的技术方案中，基于位移场偏差进行反求解，获得反变形后叶片三维模型的步骤中，通过进行多次迭代计算，得出反变形后叶片三维模型；其中，空心涡轮叶片与空心涡轮叶片原始设计模型的精度偏差小于预设阈值。
本发明实施例提供的可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片精确制造方法，可用于制备适用于航空发动机或者燃气轮机的空心涡轮叶片。
本发明实施例创新性的原理性说明：
1)现有技术中，当前熔模精密铸造的工艺流程主要包括：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；上述工艺存在以下等方面的问题：型芯与型壳分开成形后进行装配，易导致定位误差产生而偏芯穿孔；涂浆制壳厚度难以控制，易导致温度场不均而产生缘板杂晶。
2)本发明实施例提供的技术方案，基于光固化激光成型技术与凝胶注模技术，公开了一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片精确制造方法；相比于传统熔模铸造，本发明利用光固化激光成型的快速性，可以在短时间内进行多次反变形迭代，以实现空心涡轮叶片铸造的最佳型面精度要求。另外，针对现有传统熔模铸造的挂浆制壳，型壳不可控制，易导致成型后的涡轮叶片外表面精度差的情况，本发明实施例技术方案通过设计母模具树脂外壳蜂窝结构，可以精确控制型壳壁厚以及实现变孔隙率型壳的制备，能够对涡轮叶片浇注时的温度场准确控制，消除杂晶的产生。再有，本发明实施例技术方案通过光固化激光快速成型可在叶片上直接成型气膜孔，随着脱脂烧结，型芯与型壳将由气膜孔柱相连接，在浇注金属时可以直接形成气膜孔，同时能够防止型芯在金属液中发生蠕变而导致涡轮叶片偏芯。
本发明实施例具体示例性的，提供一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片精确制造方法，包括以下步骤：
1)根据三维扫描设备对已制备的涡轮叶片进行扫描，将扫描后的叶片数据与原叶片模型进行对比得出叶片变形规律，分析叶片变形偏差，设计其反变形后的叶片三维模型及其型芯型壳一体化铸型的三维模型，型壳厚度2mm～8mm；
2)根据杂晶易产生的位置及热力学仿真分析，设计出能够实现变孔隙型壳7的蜂窝结构及叶片的树脂母模具；
3)采用光固化激光成型方法实现树脂母模具的打印成型；
4)配制陶瓷浆料，陶瓷浆料的基体成分为氧化铝、氧化硅、碳化硅等；矿化剂为氧化钇、铝硅、氧化锆等；其中，选用粒径为2～100μm的陶瓷基体粉末，采用颗粒级配法计算粉末配比，本发明实施例中使用100μm氧化铝25wt％，40μm氧化铝20wt％，5μm氧化铝15wt％，2μm氧化铝30wt％，40μm氧化锆5％，40μm铝硅5％；其中，氧化锆及铝硅为矿化剂；将一定比例的预混液加入陶瓷粉体中，放置于球磨罐中，进行球磨得到分散均匀，流动性小于1pa·s的陶瓷浆料；
5)将配制好的陶瓷浆料分别加入催化剂和引发剂，在真空度为-0.08Mpa的真空环境下注入树脂母模具，静置30min后，陶瓷浆料凝固，得到型芯型壳一体化铸型生胚；
6)将得到的陶瓷生胚进行冷冻干燥，脱脂，浸渍终烧，型芯型壳一体化铸型；
7)将型芯型壳一体化铸型放入定向凝固炉，通过定向凝固技术，在型芯型壳一体化铸型中浇注高温合金，浇注温度为1550℃，经过5.5mm/min的抽拉后得到金属铸件；最后，经过机加工、打磨、抛光等后处理手段的到所需的某型单晶空心涡轮叶片。
综上，本发明实施例提供的技术方案中，基于光固化激光成型技术与凝胶注模技术，对所需制造的空心涡轮叶片进行多次反变形迭代，以实现空心涡轮叶片铸造的最佳型面精度要求。针对于传统熔模铸造的挂浆制壳，其型壳不可控制，易导致成型后的涡轮叶片外表面精度差的情况，通过设计母模具树脂外壳蜂窝结构以及空腔间隙，可以精确控制型壳壁厚以及实现变孔隙率型壳的制备，能够对涡轮叶片浇注时的温度场准确控制，消除杂晶的产生，通过光固化激光快速成型可在叶片上直接成型气膜孔，随着脱脂烧结，型芯与型壳将由气膜孔柱相连接，在浇注金属时可以直接形成气膜孔，同时能够防止型芯在金属液中发生蠕变而导致涡轮叶片偏芯，实现了空心涡轮叶片的精确制造。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，基于空心涡轮叶片原始设计模型及其变形规律，获取反变形后叶片三维模型；
步骤2，基于所述反变形后叶片三维模型，获取型芯型壳一体化铸型三维模型；其中，所述型芯型壳一体化铸型三维模型包括型芯(6)与型壳(7)；所述型芯(6)与所述型壳(7)通过气膜孔柱(8)相连，所述型壳(7)的部分区域为变孔隙率型壳(9)；
步骤3，基于所述型芯型壳一体化铸型三维模型，通过光固化激光成型技术，制备获得型芯型壳一体化铸型母模具；
步骤4，将陶瓷浆料注入所述型芯型壳一体化铸型母模具的空腔中，形成型芯型壳一体化铸型生胚；陶瓷浆料交联凝固后，对所述型芯型壳一体化铸型生胚进行冷冻干燥、脱脂、烧结，得到型芯型壳一体化铸型；
步骤5，基于所述型芯型壳一体化铸型，通过定向凝固技术，制备获得空心涡轮叶片。
2.根据权利要求1所述的一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，步骤1中，所述变形规律的获取步骤包括：
根据所述空心涡轮叶片原始设计模型，采用定向凝固工艺制备获得涡轮叶片样本；
采用三维扫描设备对所述涡轮叶片样本进行扫描，获得样本叶片数据；
将所述样本叶片数据与空心涡轮叶片原始设计模型数据进行对比，得出变形规律。
3.根据权利要求1所述的一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，步骤1中，获取反变形后叶片三维模型的步骤具体包括：
基于变形规律，获得位移场偏差；
基于位移场偏差进行反求解，获得反变形后叶片三维模型。
4.根据权利要求1所述的一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，步骤2中，基于所述反变形后叶片三维模型，获取型芯型壳一体化铸型三维模型的步骤具体包括：
基于反变形后叶片三维模型，获取树脂母模具及浇注系统；其中，所述树脂母模具包括叶片树脂模型(1)和树脂外壳(2)；所述叶片树脂模型(1)根据所述反变形后叶片三维模型获取，所述树脂外壳(2)为对反变形后叶片三维模型的随形结构，所述叶片树脂模型(1)设置于所述树脂外壳(2)内，所述叶片树脂模型(1)和所述树脂外壳(2)形成型壳空腔(3)，所述叶片树脂模型(1)的内部形成型芯空腔(4)；所述树脂外壳(2)的内壁设置有不同直径、不同厚度的多个蜂窝状结构单元，用于烧失形成变孔隙率型壳；所述叶片树脂模型(1)上成型有气膜孔(5)；
基于树脂母模具及浇注系统，获取型芯型壳一体化铸型三维模型。
5.根据权利要求4所述的一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，
所述气膜孔(5)的直径大于等于0.4mm。
6.根据权利要求4所述的一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，
所述蜂窝状结构单元的单根直径变化范围为0.1mm～0.5mm。
7.根据权利要求4所述的一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，
所述蜂窝状结构单元的厚度变化范围为0mm～3mm。
8.根据权利要求1所述的一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，
所述型芯型壳一体化铸型的型壳厚度为2mm～8mm。
9.根据权利要求1所述的一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，
所述陶瓷浆料中添加有烧结膨胀剂。
10.根据权利要求9所述的一种可控杂晶及反变形的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，
所述陶瓷浆料的基体材料为氧化铝、氧化硅或碳化硅；
所述烧结膨胀剂为铝硅、铝粉、氧化钇或硅粉。
Priority Applications (1)
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