[發(fā)明專利]基于中空/多孔結構抑制緣板雜晶的葉片鑄型制備方法

有效

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• 申請日: 2019-06-21
• 公開（公告）號: CN110252958B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設計）人: 魯中良;李滌塵;劉哲峰;周人治;常濤歧;苗愷;王程冬;連偉波
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22C9/22
• 分類號: B22C9/22;B22C9/02;B29C64/379;B29C64/386;B33Y10/00;B33Y40/00;B33Y50/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

本發(fā)明提供的基于中空/多孔結構抑制緣板雜晶的葉片鑄型制備方法，通過在緣板位置增加中空/多孔結構，并合理設計中空/多孔結構尺寸，能夠達到控制定向凝固中緣板位置的溫度場，阻止局部過冷的產生，避免緣板位置雜晶缺陷的產生；緣板雜晶是單晶葉片最常見也是最主要的缺陷，緣板雜晶產生的主要原因是由于緣板邊緣相比葉身位置熱輻射更快，由于局部過冷形核導致雜晶產生。緣板中空/多孔結構大大降低了緣板邊緣向水冷環(huán)的熱輻射，從而保證了定向凝固過程中緣板位置水平溫度場的均勻，能夠產生高質量的單晶葉片；通過采用增材制造技術與凝膠注模工藝相結合的型芯?型殼一體化鑄型工藝，克服了傳統(tǒng)熔模制造工藝不能對鑄型結構進行按需設計和精確設計的缺點。

技術領域

本發(fā)明屬于加工制造領域，具體涉及基于中空/多孔結構抑制緣板雜晶的葉片鑄型制備方法。

背景技術

應用定向凝固工藝可以制造具有柱狀晶粒和單晶結構的鑄件。鎳基高溫合金由于其出色的抗蠕變性和高溫抗氧化性，廣泛應用于航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機中渦輪葉片的生產，由于單晶高溫合金葉片完全消除了晶界，提高了葉片的高溫蠕變性能和疲勞性能，成為制造高性能航空發(fā)動機的首選。目前在單晶渦輪葉片的定向凝固過程中遇到的主要問題之一就是緣板突出位置會形成雜晶。在葉片緣板部分，由于鑄件在垂直熱流方向上橫截面積突變，由于突出位置熔體過冷容易形成新的晶粒。這些雜晶的晶界將成為單晶葉片的薄弱環(huán)節(jié)，使用中會發(fā)展成為裂紋源，最終導致葉片的斷裂失效。同時由于緣板雜晶的存在，單晶葉片的良品率一直維持在很低水平。

增材制造技術通過逐層累積成型制造實體零件，對復雜零件的近凈成型具有巨大優(yōu)勢，同時也為零件內部的復雜結構制造提供了新的空間。其中光固化快速成型是當前成熟度較高，精度較為理想的一種快速成型技術。利用增材制造技術的柔性化技術實現(xiàn)了型芯/型殼一體化制備，有效的避免了傳統(tǒng)熔模鑄造在制備具有空心結構復雜零件的制造過程的一系列復雜的制造工藝，在保證綜合性能滿足要求的同時，極大的減少了制造時間和成本，是具有革命性的一項新技術，具有非常大的市場價值。區(qū)別于傳統(tǒng)的熔模工藝，基于增材制造和凝膠注模的型芯/型殼一體化制備工藝，可以對葉片鑄型進行精確化制造，從而為高復雜葉片的數(shù)字化和高質量制造指明了方向。

在傳統(tǒng)工藝中，單晶葉片緣板雜晶缺陷控制方法主要是通過控制定向凝固過程中的工藝參數(shù)，包括澆鑄溫度、抽拉速率，該方法對單晶葉片雜晶缺陷的控制有限，而且主要依靠經驗，是一種粗放型制造方式。本發(fā)明利用一種基于模擬的單晶葉片孔隙結構殼控制雜晶缺陷的方法，本方法能夠減少工藝實驗的次數(shù)，有效避免雜晶缺陷，提高單晶葉片合格率。

發(fā)明內容

本發(fā)明提供的基于中空/多孔結構抑制緣板雜晶的葉片鑄型制備方法，解決了單晶渦輪葉片在制備的過程中存在雜晶缺陷，導致單晶渦輪葉片的合格率低的問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：

本發(fā)明提供的基于中空/多孔結構抑制緣板雜晶的葉片鑄型制備方法，包括以下步驟：

步驟1，根據葉片模型數(shù)據設計葉片鑄型定向凝固的三維模型；

步驟2，將步驟1中得到的三維模型導入有限元模擬軟件中，進行離散化處理，得到離散化數(shù)據模型；

步驟3，將步驟2中得到的離散化數(shù)據模型中的模擬用基本參數(shù)導入計算機數(shù)值模擬軟件中對定向凝固過程進行模擬計算并提取測溫點的溫度變化曲線；

步驟4，通過關鍵點測溫實驗與步驟3中得到的測溫點的溫度變化曲線進行對比，并校準模擬參數(shù)，并將該模擬參數(shù)作為校準后的數(shù)值模擬計算的基本參數(shù)；

步驟5，根據步驟4中得到的校準后的數(shù)值模擬計算的基本參數(shù)，在葉片鑄型定向凝固的三維模型上得到局部過冷區(qū)域的緣板位置，并在該位置處增加緣板中空/多孔結構，形成葉片鑄型定向凝固的三維模型的二次建模；