[发明专利]基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法

说明书

本发明提供的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，通过在缘板位置增加中空/多孔结构，并合理设计中空/多孔结构尺寸，能够达到控制定向凝固中缘板位置的温度场，阻止局部过冷的产生，避免缘板位置杂晶缺陷的产生；缘板杂晶是单晶叶片最常见也是最主要的缺陷，缘板杂晶产生的主要原因是由于缘板边缘相比叶身位置热辐射更快，由于局部过冷形核导致杂晶产生。缘板中空/多孔结构大大降低了缘板边缘向水冷环的热辐射，从而保证了定向凝固过程中缘板位置水平温度场的均匀，能够产生高质量的单晶叶片；通过采用增材制造技术与凝胶注模工艺相结合的型芯‑型壳一体化铸型工艺，克服了传统熔模制造工艺不能对铸型结构进行按需设计和精确设计的缺点。

技术领域

本发明属于加工制造领域，具体涉及基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法。

背景技术

应用定向凝固工艺可以制造具有柱状晶粒和单晶结构的铸件。镍基高温合金由于其出色的抗蠕变性和高温抗氧化性，广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机中涡轮叶片的生产，由于单晶高温合金叶片完全消除了晶界，提高了叶片的高温蠕变性能和疲劳性能，成为制造高性能航空发动机的首选。目前在单晶涡轮叶片的定向凝固过程中遇到的主要问题之一就是缘板突出位置会形成杂晶。在叶片缘板部分，由于铸件在垂直热流方向上横截面积突变，由于突出位置熔体过冷容易形成新的晶粒。这些杂晶的晶界将成为单晶叶片的薄弱环节，使用中会发展成为裂纹源，最终导致叶片的断裂失效。同时由于缘板杂晶的存在，单晶叶片的良品率一直维持在很低水平。

增材制造技术通过逐层累积成型制造实体零件，对复杂零件的近净成型具有巨大优势，同时也为零件内部的复杂结构制造提供了新的空间。其中光固化快速成型是当前成熟度较高，精度较为理想的一种快速成型技术。利用增材制造技术的柔性化技术实现了型芯/型壳一体化制备，有效的避免了传统熔模铸造在制备具有空心结构复杂零件的制造过程的一系列复杂的制造工艺，在保证综合性能满足要求的同时，极大的减少了制造时间和成本，是具有革命性的一项新技术，具有非常大的市场价值。区别于传统的熔模工艺，基于增材制造和凝胶注模的型芯/型壳一体化制备工艺，可以对叶片铸型进行精确化制造，从而为高复杂叶片的数字化和高质量制造指明了方向。

在传统工艺中，单晶叶片缘板杂晶缺陷控制方法主要是通过控制定向凝固过程中的工艺参数，包括浇铸温度、抽拉速率，该方法对单晶叶片杂晶缺陷的控制有限，而且主要依靠经验，是一种粗放型制造方式。本发明利用一种基于模拟的单晶叶片孔隙结构壳控制杂晶缺陷的方法，本方法能够减少工艺实验的次数，有效避免杂晶缺陷，提高单晶叶片合格率。

发明内容

本发明提供的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，解决了单晶涡轮叶片在制备的过程中存在杂晶缺陷，导致单晶涡轮叶片的合格率低的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的基于中空/多孔结构抑制缘板杂晶的叶片铸型制备方法，包括以下步骤：

步骤1，根据叶片模型数据设计叶片铸型定向凝固的三维模型；

步骤2，将步骤1中得到的三维模型导入有限元模拟软件中，进行离散化处理，得到离散化数据模型；

步骤3，将步骤2中得到的离散化数据模型中的模拟用基本参数导入计算机数值模拟软件中对定向凝固过程进行模拟计算并提取测温点的温度变化曲线；

步骤4，通过关键点测温实验与步骤3中得到的测温点的温度变化曲线进行对比，并校准模拟参数，并将该模拟参数作为校准后的数值模拟计算的基本参数；

步骤5，根据步骤4中得到的校准后的数值模拟计算的基本参数，在叶片铸型定向凝固的三维模型上得到局部过冷区域的缘板位置，并在该位置处增加缘板中空/多孔结构，形成叶片铸型定向凝固的三维模型的二次建模；