[發明專利]一種單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法

有效

• 申請號: 201310376704.4
• 申請日: 2013-08-26
• 公開（公告）號: CN103464690A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 李滌塵;魯中良;苗愷
• 申請（專利權）人: 西安交通大學;西安瑞特快速制造工程研究有限公司
• 主分類號: B22C9/22
• 分類號: B22C9/22;C30B11/00;B28B1/08;B28B1/14;C04B35/622
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 汪人和

1.一種單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

1）根據單晶渦輪葉片晶粒取向的要求，利用鑄造有限元軟件設計相匹配的螺旋選晶器，包括螺旋選晶段的匝數、相鄰螺旋段的距離和起晶器的尺寸；

2）根據帶有螺旋選晶器的單晶空心渦輪葉片設計初始鑄型，將其導入鑄造有限元軟件中，進行傳熱和應力分析；在應力計算過程中，針對應力集中的區域，改變鑄型的型殼外壁的形狀以消減應力；根據各個時刻熱應力分布情況，選擇符合熱強度、受應力最小的壁厚，以該壁厚為消減應力后初始鑄型的均勻壁厚，得到二次鑄型；

3）將設計好的二次鑄型置于定向凝固的模擬環境中進行傳熱分析，得到二次鑄型的傳熱規律及溫度梯度分布，針對截面突變處，以鑄型強度作為初始邊界條件，通過拓撲優化，設計傳熱通道，提高截面突變處的傳熱能力，形成三次鑄型；

4）然后對三次鑄型重復傳熱分析、應力分析和定向凝固模擬分析，并進行修改直到變截面處復合定向凝固的溫度梯度要求，并能承受定向晶生長過程中受到的應力，得到定型鑄型；

5）將設計好的鑄型通過光固化快速成型技術制造出樹脂原型模具，利用凝膠注模的方法制造單晶渦輪葉片陶瓷鑄型。

2.如權利要求1所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，所述的帶有螺旋選晶器的渦輪葉片樹脂模型及初始鑄型在UG軟件中設計構建。

3.如權利要求1所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，帶有螺旋選晶器的渦輪葉片樹脂模型一體化制造，將設計好的螺旋選晶器CAD模型裝配到葉片CAD模型上，應用造型軟件對零件的三維模型進行抽殼處理，將實心零件抽為空心，抽殼厚度為0.6-3mm，然后利用光固化快速成型設備制作出帶有螺旋選晶器的渦輪葉片樹脂原型。

4.如權利要求1所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，所述的步驟2）中消減應力的形式為鈍化型殼外壁的尖銳部分，直到消除應力集中或降低應力集中。

5.如權利要求1所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，所述二次鑄型置于ProCAST軟件提供的定向晶生長的模擬環境中進行輻射傳熱分析，在ProCAST軟件中建立預熱模型時有以下設置：

5.1）設置鑄件和模殼的換熱系數為0；

5.2）在模殼表面設置傳熱邊界條件，設置VIEW?FACTOR為ON并設定輻射率；

5.3）設置鑄件為EMPTY，設置鑄件狀態為FULL；

通過預熱模型完成預熱計算后，使用模殼溫度分布結果，建立輻射傳熱分析的計算模型，包括以下設置：

5.4）在預熱計算中提取模殼的溫度分布狀態；

5.5）改變鑄件和模殼的0換熱系數；

5.6）去除模殼內表面換熱邊界條件，設置鑄件狀態為FULL；

在輻射傳熱分析的計算模型上進行輻射傳熱分析，在分析時鑄件的合金材料參數的推算采用Lever模型，設置VIEW?FACTOR為ON，運行參數的設置在輻射傳熱計算中的Radiation模塊設定，輻射扣箱及模殼相對應；

完成輻射傳熱分析后，得到模殼及鑄件的溫度分布及傳熱規律，即溫度場分布圖；根據溫度分布情況和模型進行溫度梯度計算，得到溫度梯度分布圖；并結合熱應力場分布情況、溫度場分布情況及溫度梯度分布情況，進行綜合分析，指導鑄型設計。

6.如權利要求5所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，所述的輻射扣箱的移動速率設置為鑄件用金屬液的凝固速率。

7.如權利要求1所述的單晶渦輪葉片陶瓷鑄型的制造方法，其特征在于，設計初始陶瓷鑄型，利用有限元軟件進行定向凝固過程中的傳熱及晶粒組織分析，針對截面突變處陶瓷型殼厚大，傳熱能力降低，容易造成晶體缺陷，以鑄型強度作為初始邊界條件，通過拓撲優化，改進鑄型結構，設計傳熱通道，提高該處傳熱能力。