基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法技术

本发明专利技术提供了基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法，作为铸型的多层中空壳型结构因冷却能力优良而适合用于通过定向凝固铸造铸件，但其结构复杂难以通过常规方法制造，基于3D打印技术打印能制造出结构精准的多层中空壳型结构。在铸造铸件时，将液态金属浇注到多层中空壳型结构的型腔中后，多层中空壳型结构的底部浸入冷却水中冷却，形成定向凝固，随着冷却水的液面的上升，中空层将自下而上被冷却水逐步填充，使液态金属的凝固界面的高度在高于冷却水的液面的高度的情况下沿竖直方向逐渐向上推进，实现铸件各处相同的保温条件以及稳定的定向凝固，从而减少杂晶、雀斑等缺陷的产生，达到优化铸件质量及其性能，提高铸件合格率的目的。

Realization of Directional Solidification Based on 3D printing multilayer shell

The invention provides a method for realizing directional solidification based on 3D printing multi-layer hollow shell mold. The multi-layer hollow shell mold structure as a casting mold is suitable for directional solidification casting due to its excellent cooling capacity, but its structure is complex and difficult to be manufactured by conventional method. The multi-layer structure with precise structure can be manufactured by printing based on 3D printing technology. The middle shell structure. When casting castings, liquid metal is poured into the cavity of multi-layer hollow shell structure, and the bottom of multi-layer hollow shell structure is immersed in cooling water to cool down, forming directional solidification. With the rise of the liquid level of cooling water, the hollow layer will be gradually filled with cooling water from bottom to top, so that the solidification interface of liquid metal is high. When the liquid level of cooling water is higher than that of cooling water, it advances upward gradually along the vertical direction, realizing the same heat preservation conditions and stable directional solidification everywhere, thus reducing the occurrence of defects such as miscellaneous crystals and freckles, achieving the goal of optimizing the quality and performance of castings and improving the qualified rate of castings.

【技术实现步骤摘要】
基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法
本专利技术涉及铸造领域，尤其涉及一种基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法。
技术介绍
定向凝固是航空发动机叶片制造的关键技术，是军工国防装备制造的关键技术之一，也是我国制造业的瓶颈问题之一。在典型的定向凝固中，作为铸造铸件所需的铸型的陶瓷型壳对保温炉壁存在热辐射，干扰了铸件沿高度方向的传热，影响了高度方向的温度梯度和凝固界面的平直性，并且随着凝固逐步向上推进，凝固界面前沿距离底部的水冷源越来越远，因此凝固界面前沿的温度梯度越来越小，冷却速度也越来越小，这都影响了铸件的质量，容易产生杂晶、雀斑等缺陷，降低铸件性能，甚至使铸件报废。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法，其能基于3D打印技术根据定向凝固的需求得到铸造铸件所需的复杂铸型，优化铸件铸造的质量。为了实现上述目的，本专利技术提供了基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法，包括步骤：S1，根据待铸造的铸件，基于3D打印技术得到作为铸型的多层中空壳型结构，所述多层中空壳型结构包括多个嵌套的型壳，位于最内部的型壳形成型腔，相邻两个型壳之间形成中空层，除位于最内部的型壳外的其它型壳均设置有沿竖直方向均匀分布用于与中空层连通的多个通孔；S2，将步骤S1中得到的多层中空壳型结构支撑于无水干燥的箱体中；S3，将液态金属浇注到型腔中；S4，浇注完成后，向箱体中注入冷却水，使冷却水浸没多层中空壳型结构的底部以使冷却水经由通孔进入所有中空层且冷却水的液面以第一速度自下而上移动，随着型腔中的液态金属自下而上逐渐凝固，控制第一速度使冷却水的液面的高度始终低于液态金属的凝固界面，使液态金属的凝固界面沿竖直方向逐渐向上推进，直至整个铸件凝固完成。本专利技术的有益效果如下：在根据本专利技术的基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法中，作为铸型的多层中空壳型结构因多个嵌套的型壳和中空层的存在具有保温作用，因冷却能力优良而适合用于通过定向凝固铸造铸件，但其结构复杂难以通过常规方法制造，基于3D打印技术打印能制造出结构精准的多层中空壳型结构。在铸造铸件时，将液态金属浇注到多层中空壳型结构的型腔中后，多层中空壳型结构的底部浸入冷却水中冷却，形成定向凝固，冷却水的液面逐渐升高，随着冷却水的液面的上升，中空层将自下而上被冷却水逐步填充，由此加快处于冷却水的液面所在平面及平面以下的铸件部位向周围散失热量的速度，而位于冷却水的液面上方的铸件部位由于中空层的保温作用热量散失较慢，以实现大的温度梯度，保证液态金属的凝固界面前沿的温度以及冷却速度维持在可控范围之内，使液态金属的凝固界面的高度在高于冷却水的液面的高度的情况下沿竖直方向逐渐向上推进，实现铸件各处相同的保温条件以及稳定的定向凝固，从而减少杂晶、雀斑等缺陷的产生，达到优化铸件质量及其性能，提高铸件合格率的目的。附图说明图1是根据本专利技术的基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法中的所使用装置的示意图。其中，附图标记说明如下：1多层中空壳型结构3液态金属11型壳4冷却水12型腔5支撑块13中空层L1冷却水的液面14通孔L2液态金属的凝固界面2箱体V第一速度具体实施方式下面参照附图来详细说明根据本专利技术的基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法。参照图1，根据本专利技术的基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法，包括步骤：S1，根据待铸造的铸件，基于3D打印技术得到作为铸型的多层中空壳型结构1，所述多层中空壳型结构1包括多个嵌套的型壳11，位于最内部的型壳11形成型腔12，相邻两个型壳11之间形成中空层13，除位于最内部的型壳外的其它型壳11均设置有沿竖直方向均匀分布用于与中空层13连通的多个通孔14；S2，将步骤S1中得到的多层中空壳型结构1支撑于无水干燥的箱体2中；S3，将液态金属3浇注到型腔12中；S4，浇注完成后，向箱体2中注入冷却水4，使冷却水4浸没多层中空壳型结构1的底部以使冷却水4经由通孔14进入所有中空层13且冷却水的液面L1以第一速度V自下而上移动，随着型腔12中的液态金属3自下而上逐渐凝固，控制第一速度V使冷却水的液面L1的高度始终低于液态金属的凝固界面L2，使液态金属的凝固界面L2沿竖直方向逐渐向上推进，直至整个铸件凝固完成。在根据本专利技术的基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法中，作为铸型的多层中空壳型结构1因多个嵌套的型壳11和中空层13的存在具有保温作用，因冷却能力优良而适合用于通过定向凝固铸造铸件，但其结构复杂难以通过常规方法制造，基于3D打印技术打印能制造出结构精准的多层中空壳型结构1。在铸造铸件时，将液态金属3浇注到多层中空壳型结构1的型腔12中后，多层中空壳型结构1的底部浸入冷却水4中冷却，形成定向凝固，冷却水的液面L1逐渐升高，随着冷却水的液面L1的上升，中空层13将自下而上被冷却水4逐步填充，由此加快处于冷却水的液面L1所在平面及平面以下的铸件部位向周围散失热量的速度，而位于冷却水的液面L1上方的铸件部位由于中空层13的保温作用热量散失较慢，以实现大的温度梯度，保证液态金属的凝固界面L2前沿的温度以及冷却速度维持在可控范围之内，使液态金属的凝固界面L2的高度在高于冷却水的液面L1的高度的情况下沿竖直方向逐渐向上推进，实现铸件各处相同的保温条件以及稳定的定向凝固，从而减少杂晶、雀斑等缺陷的产生，达到优化铸件质量及其性能，提高铸件合格率的目的。为了可靠维持多层中空壳型结构1自身的稳定、间隔并固定相邻型壳之间的相对位置，步骤S1中的多层中空壳型结构1还包括支撑并固定多个型壳11的支撑结构(未示出)，支撑结构可为桁架。为了得到质量优良的铸件，各型壳11的厚度为2～30mm。相邻两个型壳11之间的中空层13的间隙为0.5～10mm。多个通孔14的分布范围为每平方米10～100个。3D打印技术可为粘接剂喷射技术或激光烧结技术。根据对铸件材质的要求，液态金属3可为诸如镍基合金、铝合金、镁合金、铸铁或铸钢等材料，实现定向凝固得到所需铸件。为了使定向凝固的效果更好，冷却水的液面L1的高度与液态金属的凝固界面L2的高度之间的高度差为10～40mm。如图1所示，多层中空壳型结构1的外底部设置有支撑块5以支撑多层中空壳型结构1。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法，包括步骤：S1，根据待铸造的铸件，基于3D打印技术得到作为铸型的多层中空壳型结构(1)，所述多层中空壳型结构(1)包括多个嵌套的型壳(11)，位于最内部的型壳(11)形成型腔(12)，相邻两个型壳(11)之间形成中空层(13)，除位于最内部的型壳外的其它型壳(11)均设置有沿竖直方向均匀分布用于与中空层(13)连通的多个通孔(14)；S2，将步骤S1中得到的多层中空壳型结构(1)支撑于无水干燥的箱体(2)中；S3，将液态金属(3)浇注到型腔(12)中；S4，浇注完成后，向箱体(2)中注入冷却水(4)，使冷却水(4)浸没多层中空壳型结构(1)的底部以使冷却水(4)经由通孔(14)进入所有中空层(13)且冷却水的液面(L1)以第一速度(V)自下而上移动，随着型腔(12)中的液态金属(3)自下而上逐渐凝固，控制第一速度(V)使冷却水的液面(L1)的高度始终低于液态金属的凝固界面(L2)，使液态金属的凝固界面(L2)沿竖直方向逐渐向上推进，直至整个铸件凝固完成。

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法，包括步骤：S1，根据待铸造的铸件，基于3D打印技术得到作为铸型的多层中空壳型结构(1)，所述多层中空壳型结构(1)包括多个嵌套的型壳(11)，位于最内部的型壳(11)形成型腔(12)，相邻两个型壳(11)之间形成中空层(13)，除位于最内部的型壳外的其它型壳(11)均设置有沿竖直方向均匀分布用于与中空层(13)连通的多个通孔(14)；S2，将步骤S1中得到的多层中空壳型结构(1)支撑于无水干燥的箱体(2)中；S3，将液态金属(3)浇注到型腔(12)中；S4，浇注完成后，向箱体(2)中注入冷却水(4)，使冷却水(4)浸没多层中空壳型结构(1)的底部以使冷却水(4)经由通孔(14)进入所有中空层(13)且冷却水的液面(L1)以第一速度(V)自下而上移动，随着型腔(12)中的液态金属(3)自下而上逐渐凝固，控制第一速度(V)使冷却水的液面(L1)的高度始终低于液态金属的凝固界面(L2)，使液态金属的凝固界面(L2)沿竖直方向逐渐向上推进，直至整个铸件凝固完成。2.根据权利要求1所述的基于3D打印多层中空壳型实现定向凝固的方法，其特征在于，步骤S1中的多层中...

【专利技术属性】
技术研发人员：康进武，易吉豪，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11