CN118023476A - 一种空心涡轮单晶叶片的快速制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温合金熔模精密铸造技术领域，具体为一种空心涡轮单晶叶片的快速制备方法。先设计陶瓷型芯数模及叶片分体蜡模数模，分别输入至3D打印设备中；3D打印得到陶瓷型芯素胚，再进行脱脂、烧结，得到陶瓷型芯成品；3D打印得到叶片分体蜡模，再脱除支撑蜡，得到叶片分体蜡模成品。将分体蜡模与陶瓷型芯拼装、焊接为完整叶片蜡模；将完整叶片蜡模与浇注系统蜡模进行焊接，完成蜡模组树，再进行制壳、熔铸、脱壳、脱芯、热处理，即可得到叶片铸件。本发明方法具有快速高效和成本低的特点，通过避免型芯模具和叶片蜡模模具的制作环节，使叶片的制造周期缩短一半以上，尤其适用于小量多品种的空心涡轮单晶叶片生产及研制。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金熔模精密铸造技术领域，具体为一种空心涡轮单晶叶片的快速制备方法。
背景技术
随着航空工业的飞速发展和航空发动机的性能提升，发动机涡轮前进口温度逐步提高，这就对涡轮单晶叶片的承温能力提出了越来越高的要求。受高温合金熔点的限制，通过改善叶片的制备材料来提高叶片的承温能力已接近极限。因此，设计叶片气冷结构、提高叶片的冷却效率已成为叶片设计制造者的常见选择。
空心涡轮单晶叶片的制备，传统的熔模精密铸造方法为：依据叶片外型及内腔结构，进行型芯模具和叶片模具设计；使用陶瓷浆料，经型芯模具注射冷却后得到陶瓷型芯湿胚，再通过高温烧结、强化处理，得到陶瓷型芯成品；将陶瓷型芯固定在叶片模具中，注射蜡料，冷却后得到叶片蜡模；进行蜡模组树，然后在模组外表包裹耐火材料制备型壳；型壳脱蜡后浇入合金液，凝固成型铸件，再脱除型壳、型芯，经热处理后，得到最终的空心涡轮单晶叶片铸件。
在空心涡轮单晶叶片的制备过程中，型芯模具、叶片模具的设计和制造，所需时间占到整个制造周期的一半以上，且由于尺寸误差、芯腔匹配精度等问题，模具往往需要返修或返工重做，进一步增加叶片制造周期和成本。因此，对数量不多且生产周期要求较短的空心涡轮单晶叶片，急需一种快速高效且可保证尺寸、壁厚精度的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，主要适用于内部含有型腔的等轴晶、定向晶、单晶涡轮单晶叶片的快速制备。
本发明的技术方案是：
一种空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，包括如下步骤：
(1)数模设计：设计陶瓷型芯数模及叶片分体蜡模数模；
(2)型芯制备：将陶瓷型芯浆料及陶瓷型芯数模载入3D打印设备，通过光固化打印得到陶瓷型芯素胚，再进行脱脂、烧结，得到型芯成品；
(3)蜡模制备：将蜡料及叶片分体蜡模数模载入3D打印设备，通过光固化打印得到叶片分体蜡模，再去除支撑蜡；
(4)芯蜡拼装：将陶瓷型芯固定在叶片分体蜡模中，并将分体蜡模拼装、焊接为完整叶片蜡模；
(5)叶片制备：将完整叶片蜡模与浇注系统蜡模进行焊接，完成蜡模组树，再进行制壳、熔铸、脱壳、脱芯、热处理，得到叶片铸件；
(6)铸件叶型、壁厚尺寸检验：使用蓝光扫描仪或三坐标测量仪检测铸件外型尺寸，使用超声波测厚仪或工业CT设备检测壁厚尺寸，若尺寸不符合要求，则根据检测结果，反向调整型芯或蜡模的打印模型尺寸，反复迭代快速得到尺寸符合要求的铸件。
所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，步骤(1)中，在进行叶片分体蜡模数模设计时，首先在叶片铸件设计加工余量时，在叶尖方向预留出足够大的尺寸余量，并在尺寸余量部分留出孔洞结构，以便与陶瓷型芯固定配合，从而得到铸件数模；然后将该铸件数模沿孔洞中部位置拆分为上下两部分，同时将叶片型腔适当扩大，以避免陶瓷型芯放入蜡模过程中产生干涉受力变形，从而得到上下两个分体的蜡模数模；在进行陶瓷型芯数模设计时，型芯主体部分用以形成铸件型腔，在型芯主体部分上端设计两侧突出结构，从而与分体蜡模的孔洞配合。
所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，叶片分体蜡模数模中，孔洞结构为圆角多边形结构，叶盆、叶背各一，每个孔洞被上下两个分体蜡模分为两部分，通过多边形孔洞使型芯主体部分两侧突出结构与上下分体蜡模之间配合定位，孔洞最大尺寸为整体铸件最大尺寸的5％～15％。
所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，叶片分体蜡模数模包含辅助性浇注系统，将铸件的补缩浇道、支撑结构、引晶结构数模直接连接在叶片数模上，并与叶片一体进行3D打印成型。
所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，陶瓷型芯数模中，两侧突出结构为圆角多边形，呈外大内小的帽状结构，叶盆侧、叶背侧各一；其中，需固定在蜡模内部的型芯主体部分突出结构为“蜡模固定端”，其周向尺寸与蜡模孔洞大小相匹配；需裸露在蜡模外部的型芯主体部分突出结构为“型壳固定端”，其外表面在后续型壳制备、脱蜡后，保证型芯主体部分在型壳中的相对位置不发生串动。
所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，陶瓷型芯数模中，型壳固定端的内侧与蜡模外表面相贴合，从而控制型芯与蜡模在壁厚方向上的相对位置，进而保证蜡模外表面与型芯主体部分外表面的距离，实现叶片的壁厚尺寸控制。
所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，步骤(2)型芯制备过程中，陶瓷型芯浆料为氧化铝陶瓷粉料、醇类有机溶剂、光敏树脂预混液进行球磨混合后得到；打印型芯素胚后，进行加热、保温，完成型芯脱脂；然后进行高温加热、保温，完成型芯烧结。
所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，步骤(3)蜡模制备过程中，蜡料包括构建蜡料及水溶性支撑蜡料，将打印出的蜡模浸洗在工业酒精、聚丙二醇混合溶剂中，并加热、搅拌，去除支撑蜡料。
本发明的设计思想是：
基于陶瓷型芯3D打印技术和蜡模3D打印技术，本发明制备尺寸稳定的陶瓷型芯和叶片分体蜡模，将型芯组装到叶片蜡模中，同时通过蜡模及型芯的结构设计，保证蜡模外表面与型芯主体外表面的距离，从而实现叶片的壁厚尺寸控制；同时可将补缩浇道、支撑结构、引晶结构等蜡模同叶片蜡模一体打印成型，提高工艺一致性和蜡模组树工作效率。然后进行制壳、熔铸、脱壳、脱芯、热处理，得到叶片铸件。叶片外型尺寸及壁厚尺寸的控制通过检测后反复迭代，快速得到尺寸符合要求的叶片蜡模和陶瓷型芯，进而得到尺寸满足要求的空心涡轮单晶叶片。由于空心涡轮单晶叶片的制备过程中省去了蜡模模具和型芯模具的设计、制造和返修工作，可大幅缩短空心涡轮单晶叶片的制备周期。
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、本发明可以通过蜡模3D打印技术、陶瓷型芯3D打印技术与铸件尺寸检测相结合，保证对叶片外型、壁厚尺寸的控制，增加空心涡轮单晶叶片铸件的成品率。
3、本发明适合高温合金空心涡轮单晶叶片的制造，包括单晶、定向、等轴晶叶片的制造。
附图说明
图1为本发明空心涡轮单晶叶片的快速制备方法的流程图。
图2为实施例1中的空心涡轮单晶叶片铸件数模图。
图3为实施例1中的空心涡轮单晶叶片蜡模打印数模图。
图4为陶瓷型芯打印数模图。
图5为拼装后模型示意图。
图中，1-预处理叶片数模，2-叶尖余量下部，3-分体蜡模上部，4-下部定位孔，5-上部定位孔，6-分体蜡模下部，7-型芯主体部分，8-蜡模固定端，9-型壳固定端，10-陶瓷型芯，11-蜡模接缝处。
具体实施方式
在具体实施过程中，如图1所示，高温合金空心涡轮单晶叶片的快速制备方法的流程为：先设计陶瓷型芯数模及叶片分体蜡模数模，分别输入至3D打印设备中；3D打印得到陶瓷型芯素胚，再进行脱脂、烧结，得到陶瓷型芯成品；3D打印得到叶片分体蜡模，再脱除支撑蜡，得到叶片分体蜡模成品。
陶瓷型芯浆料一般由铝基或硅基氧化物陶瓷粉料和光敏树脂等强化剂组成。支撑蜡一般为容易去除的水溶性低或熔点低的材料，其作用之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；其作用之二是在逐层堆积成型的打印过程中，填充模型的中空结构。
将陶瓷型芯固定在叶片分体蜡模中，并将叶片分体蜡模与陶瓷型芯拼装、焊接为完整叶片蜡模；然后将完整叶片蜡模与浇注系统蜡模进行焊接，完成蜡模组树，再进行制壳、合金液浇注、脱壳、脱芯、热处理，得到叶片铸件。检测铸件尺寸，若不符合要求，则反向调整型芯或蜡模的打印模型，反复迭代快速得到外型、壁厚尺寸均符合要求的铸件。
下面，通过实施例进一步详述本发明。
实施例
本实施例中，铸件为一种小型高温合金单晶空心涡轮单晶叶片，铸件高度32.5mm，缘板宽度23mm，铸件空腔高度10mm，叶盆及叶背壁厚均为0.67mm，铸件数模如图2所示。其快速制备方法如下：
设计叶片分体蜡模，如图3所示。先根据铸造尺寸缩放经验，将铸件数模整体均匀放大1.4％，然后在X、Y方向将叶片空腔均匀扩大，并在Z方向向下延伸至缘板上方；扩大后叶片空腔高度18.5mm，叶盆及叶背壁厚均为0.3mm，完成叶片数模预处理。
将预处理叶片数模1的叶尖部分沿Z方向向上延伸2.8mm，作为叶尖余量下部2；继续向上延伸4.2mm，并将其中最上方2.2mm高度的数模中空部分填充满，形成一个蜡帽结构，作为叶尖余量上部，即分体蜡模上部3。在叶尖余量下部2的叶盆、叶背上沿位置，对称设置半孔结构，作为下部定位孔4，下部定位孔4的宽度为2.3mm，厚度即为叶片壁厚0.3mm，Z方向高度为2.2mm；在叶尖余量上部3的叶盆、叶背下沿位置，对称设置半孔结构，作为上部定位孔5，上部定位孔5在X-Y方向与下部定位孔完全对齐，Z方向高度为2mm。将预处理叶片数模1与叶尖余量下部2合并，组成分体蜡模下部6。
设计陶瓷型芯，如图4所示。陶瓷型芯在构成铸件内腔的基础上，将上表面沿Z方向向上延伸4.8mm，形成型芯主体部分7，延伸后的型芯主体部分7的最大高度为14.8mm。
在型芯主体部分7的上端两侧设计叶盆、叶背侧突出结构，作为蜡模固定端8。每个蜡模固定端8的宽度为2.3mm，高度为4.2mm，即两个蜡模固定端8分别与相应的下部定位孔4、上部定位孔5的宽度和总高度相匹配，厚度为0.67mm，即铸件壁厚尺寸。在蜡模固定端8的外部设计帽状突出结构，作为型壳固定端9。型壳固定端9的宽度为3.5mm，高度为4.6mm，最小厚度为2.2mm；在厚度方向上，型壳固定端9的外侧表面为平面，内侧表面为曲面，与铸件叶身外表面贴合。将型芯主体部分7与蜡模固定端8、型壳固定端9合并，组成陶瓷型芯10。
进行3D打印。将陶瓷型芯10的数模载入3D打印设备，通过光固化打印得到陶瓷型芯素胚，再进行脱脂、烧结，得到型芯成品；将分体蜡模上部3和分体蜡模下部6的数模分别载入3D打印设备，通过光固化打印得到叶片上下部的分体蜡模，再分别去除支撑蜡，得到分体蜡模成品。
进行芯蜡拼装，如图5所示。将陶瓷型芯10从上方插入分体蜡模下部6，使陶瓷型芯10两侧的蜡模固定端8下半部分分别搭在分体蜡模下部6两侧的下部定位孔4中，并确保陶瓷型芯10的叶背侧型壳固定端9的内侧曲面与分体蜡模下部6的叶背外表面相贴合，叶盆侧型壳固定端9的内侧曲面与分体蜡模下部6的叶盆外表面相贴合。拼装牢固后，将分体蜡模上部3从上方向下拼装，使分体蜡模上部3两侧的上部定位孔5与陶瓷型芯10两侧的蜡模固定端8上半部分相咬合，且分体蜡模下部6的上表面与分体蜡模上部3的下表面贴合。然后将铸造用粘结蜡融化为液态，在蜡模接缝处11的外表面沿叶身轮廓方向均匀涂抹一圈，涂抹厚度不大于1mm，上下宽度不大于2.5mm，待其冷却凝固。在此过程中，型芯的型壳固定端9的内侧曲面与型芯主体部分7的外表面之间的距离即为叶片壁厚。
将拼装后的铸件蜡模与引晶系统、浇冒口、水冷盘、浇道及支撑柱等浇注系统蜡模进行焊接，完成蜡模组树；然后将模组表面清洗干净，涂挂刚玉砂、硅溶胶为基础材料配制的料浆，并喷淋刚玉砂，重复6遍，形成湿坯型壳；再使用脱蜡釜，加热至175℃使蜡料融化流出；脱除蜡料后使用焙烧炉，980℃焙烧2h后制备出成品型壳。
最后将型壳放入真空定向凝固炉，浇注入合金溶液，经过定向凝固成型铸件，然后清除铸件表面型壳，切除冒口后使用脱芯釜，通过碱液与陶瓷型芯发生反应，完成型芯脱除；将铸件热处理，即得到单晶叶片铸件成品。全过程单批次制造周期约为25天。
使用三坐标测量仪，检测叶片铸件的叶型轮廓尺寸，并使用工业CT设备，检测叶片铸件的壁厚尺寸，尺寸合格率达92％。
实施例结果表明，本发明通过设计陶瓷型芯数模及叶片分体蜡模数模，分别进行3D打印，再将分体蜡模与陶瓷型芯拼装、焊接为完整叶片蜡模，然后进行蜡模组树、制壳、熔铸、脱壳、脱芯、热处理，即可得到叶片铸件。本发明方法具有快速高效和成本低的特点，通过避免型芯模具和叶片蜡模模具的制作环节，使叶片的制造周期缩短一半以上，尤其适用于小量多品种的空心涡轮单晶叶片生产及研制。本发明方法通过型芯结构设计及型芯与蜡模之间的精准定位，可实现空心涡轮单晶叶片的壁厚尺寸精准控制，且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 (8)
1.一种空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)数模设计：设计陶瓷型芯数模及叶片分体蜡模数模；
(2)型芯制备：将陶瓷型芯浆料及陶瓷型芯数模载入3D打印设备，通过光固化打印得到陶瓷型芯素胚，再进行脱脂、烧结，得到型芯成品；
(3)蜡模制备：将蜡料及叶片分体蜡模数模载入3D打印设备，通过光固化打印得到叶片分体蜡模，再去除支撑蜡；
(4)芯蜡拼装：将陶瓷型芯固定在叶片分体蜡模中，并将分体蜡模拼装、焊接为完整叶片蜡模；
(5)叶片制备：将完整叶片蜡模与浇注系统蜡模进行焊接，完成蜡模组树，再进行制壳、熔铸、脱壳、脱芯、热处理，得到叶片铸件；
(6)铸件叶型、壁厚尺寸检验：使用蓝光扫描仪或三坐标测量仪检测铸件外型尺寸，使用超声波测厚仪或工业CT设备检测壁厚尺寸，若尺寸不符合要求，则根据检测结果，反向调整型芯或蜡模的打印模型尺寸，反复迭代快速得到尺寸符合要求的铸件。
2.按照权利要求1所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在进行叶片分体蜡模数模设计时，首先在叶片铸件设计加工余量时，在叶尖方向预留出足够大的尺寸余量，并在尺寸余量部分留出孔洞结构，以便与陶瓷型芯固定配合，从而得到铸件数模；然后将该铸件数模沿孔洞中部位置拆分为上下两部分，同时将叶片型腔适当扩大，以避免陶瓷型芯放入蜡模过程中产生干涉受力变形，从而得到上下两个分体的蜡模数模；在进行陶瓷型芯数模设计时，型芯主体部分用以形成铸件型腔，在型芯主体部分上端设计两侧突出结构，从而与分体蜡模的孔洞配合。
3.按照权利要求2所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，叶片分体蜡模数模中，孔洞结构为圆角多边形结构，叶盆、叶背各一，每个孔洞被上下两个分体蜡模分为两部分，通过多边形孔洞使型芯主体部分两侧突出结构与上下分体蜡模之间配合定位，孔洞最大尺寸为整体铸件最大尺寸的5％～15％。
4.按照权利要求2所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，叶片分体蜡模数模包含辅助性浇注系统，将铸件的补缩浇道、支撑结构、引晶结构数模直接连接在叶片数模上，并与叶片一体进行3D打印成型。
5.按照权利要求2所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，陶瓷型芯数模中，两侧突出结构为圆角多边形，呈外大内小的帽状结构，叶盆侧、叶背侧各一；其中，需固定在蜡模内部的型芯主体部分突出结构为“蜡模固定端”，其周向尺寸与蜡模孔洞大小相匹配；需裸露在蜡模外部的型芯主体部分突出结构为“型壳固定端”，其外表面在后续型壳制备、脱蜡后，保证型芯主体部分在型壳中的相对位置不发生串动。
6.按照权利要求5所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，陶瓷型芯数模中，型壳固定端的内侧与蜡模外表面相贴合，从而控制型芯与蜡模在壁厚方向上的相对位置，进而保证蜡模外表面与型芯主体部分外表面的距离，实现叶片的壁厚尺寸控制。
7.按照权利要求1所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，步骤(2)型芯制备过程中，陶瓷型芯浆料为氧化铝陶瓷粉料、醇类有机溶剂、光敏树脂预混液进行球磨混合后得到；打印型芯素胚后，进行加热、保温，完成型芯脱脂；然后进行高温加热、保温，完成型芯烧结。
8.按照权利要求1所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，步骤(3)蜡模制备过程中，蜡料包括构建蜡料及水溶性支撑蜡料，将打印出的蜡模浸洗在工业酒精、聚丙二醇混合溶剂中，并加热、搅拌，去除支撑蜡料。
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| CN202410083708.1A CN118023476A (zh) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | 一种空心涡轮单晶叶片的快速制备方法 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN118023476A true CN118023476A (zh) | 2024-05-14 |
Family
ID=90984956
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410083708.1A Pending CN118023476A (zh) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | 一种空心涡轮单晶叶片的快速制备方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN118023476A (zh) |
-
2024
- 2024-01-19 CN CN202410083708.1A patent/CN118023476A/zh active Pending
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