单晶叶片调控缘板杂晶的工艺筋设计方法技术

本发明专利技术公开了一种单晶叶片调控缘板杂晶的工艺筋设计方法，属于单晶熔模铸造工艺领域，用来解决调控缘板杂晶的工艺筋设计问题。该方法主要包含以下步骤：(1)确定缘板的临界冷却速率；(2)确定工艺筋的添加位置；(3)确定工艺筋的添加数量；(4)确定工艺筋的结构；(5)提高抽拉速率，研究添加工艺筋后的缘板各点冷却速率；(6)对添加工艺筋和不添加工艺筋的叶片进行实际浇注，对比缘板处的晶粒情况。与现有技术相比，本发明专利技术的优点在于：对于调控缘板杂晶的工艺筋，从仿真的冷却速率角度进行了有依据的设计。依据的设计。依据的设计。

【技术实现步骤摘要】
单晶叶片调控缘板杂晶的工艺筋设计方法


[0001]本专利技术涉及单晶铸件熔铸工艺，是一种通过仿真模拟手段来确定调控缘板杂晶的工艺筋设计方法。

技术介绍

[0002]单晶高温合金由于消除了晶界的影响，因此具有优异的高温力学性能。但是随着涡轮叶片的结构、形状越来越复杂，尺寸越来越大，铸造缺陷也随之增多。其中在缘板处出现的杂晶缺陷是单晶叶片制备过程中亟需解决的重要问题。杂晶的形成机理是局部位置由于散热不均匀，导致温度下降速率不同，产生局部过冷，促进了新形核的产生。新形核的出现产生了晶界，破坏了叶片的单晶完整性。
[0003]降低抽拉速率可以减小杂晶出现的几率，但是使得生产效率大大降低，因此，目前多采用添加工艺筋的方式，通过增加热节点，从而阻碍缘板散热较快区域的凝固，使得连接区域的冷却速率降低，即在提高抽拉速率的情况下同时实现对该区域的杂晶控制。虽然采用工艺筋的调控方式已经有了广泛的应用，但是对于工艺筋的设计方法以及添加位置的研究还停留在粗放式的、依靠经验的层面，因此，本方法从仿真角度为工艺筋的设计提供了依据，并从冷却速率的角度对工艺筋的添加位置、设计尺寸进行确定，使得工艺筋的作用被尽可能的发挥，在提高抽拉速率的情况下实现对缘板区域的杂晶控制。

技术实现思路

[0004]针对涡轮叶片缘板杂晶缺陷导致单晶叶片不合格的问题，对叶片缘板部位添加工艺筋，传统的加工艺筋的方式是粗放的、依靠经验的，因此，本方法提出一种基于仿真的消除缘板杂晶缺陷的工艺筋设计方法，通过仿真，研究添加辅助工艺筋的位置、数量、结构，通过仿真为设计提供依据，并通过实验进行了验证，最终在提高抽拉速率的情况下实现对该区域的杂晶控制。
[0005]本专利技术实现上述目的的技术解决方案包括以下步骤：
[0006]步骤1
[0007]通过前期仿真计算分析得到某型号叶片整个缘板区域不产生杂晶的临界冷却速率数值。
[0008]步骤2
[0009]确定工艺筋的添加位置。添加工艺筋时需要避开包含连接结构的短边，结合缘板各点的冷却速率去选择尺寸较厚、抵抗变形能力较强且极易生成杂晶的部位添加工艺筋。
[0010]步骤3
[0011]确定工艺筋的添加数量。结合缘板各点冷却速率随抽拉速率的变化，并遵循不能影响缘板形状及尺寸精度的原则，同时工艺筋的添加位置应该尽可能靠近装配连结区域。
[0012]步骤4
[0013]确定工艺筋的结构。根据缘板的结构特征，设计工艺筋的结构与尺寸。主要包括工
艺筋的截面形状、截面尺寸、伸出长度。具体步骤为：
[0014][1]确定工艺筋的截面形状。由于叶片缘板边缘较薄且为矩形结构，考虑到实际生产过程中的可操作性和有限元网格的易修复性，将工艺筋的横截面设计为矩形。
[0015][2]确定工艺筋横截面宽度。结合精铸工艺设计手册及金属液的流通效果进行确定。
[0016][3]确定工艺筋的伸出长度。综合考虑铸件在炉体中的位置、布局以及是否会与炉体产生干涉等因素进行确定。
[0017][4]确定工艺筋横截面长度。先通过铸造工艺设计手册及金属液的流通情况对工艺筋横截面的长度初步取值。其次，为了降低工艺筋对缘板变形的影响，其尺寸选择应该越小越好，因此通过仿真确定最小的工艺筋横截面长度。
[0018]步骤5
[0019]提高抽拉速率，按上述研究所得的结果添加工艺筋进行仿真，研究添加工艺筋后缘板各点的冷却速率分布。
[0020]步骤6
[0021]对本文提出的添加工艺筋方式和不添加工艺筋的叶片进行实际浇注，对比缘板处的晶粒情况。
[0022]本专利技术的有益效果是：避免了传统粗放式的工艺筋添加、设计方式，为工艺筋的设计提供了依据，并从冷却速率的角度对工艺筋的添加位置、设计尺寸进行确定，使得工艺筋的作用被尽可能的发挥，在提高抽拉速率的情况下实现对缘板区域的杂晶控制。
[0023]下面结合附图和实例对本专利技术进一步说明。
附图说明
[0024]图1是本专利技术的流程图。
[0025]图2是缘板长边冷却速率测量点位置图。
[0026]图3是缘板长边上对应各点的冷却速率图。
[0027]图4是工艺筋结构参数尺寸图。
[0028]图中A:工艺筋伸出长度，B:工艺筋横截面长度，C:工艺筋横截面宽度。
[0029]图5是工艺筋的布局及影响范围测量点图。
[0030]图6是工艺筋的作用效果图。
[0031]图7是添加工艺筋后缘板长边各点冷却速率分布图。
[0032]图8是添加工艺筋和不添加工艺筋缘板处的宏观形貌图。
具体实施方式
[0033]下面结合附图对本专利技术的实施例做详细说明：本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程。但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0034]以某型号涡轮叶片为例，本专利技术的具体实施流程如图1所示：
[0035]步骤1
[0036]通过前期仿真计算分析得到该叶片整个缘板区域不产生杂晶的临界冷却速率为0.74℃/s。
[0037]步骤2
[0038]确定工艺筋的添加位置。考虑到缘板两个短边包含连接结构，且结构复杂，抽拉速率控制在一定范围内时出现杂晶的可能性很小，因此添加工艺筋时不考虑包含连接结构的短边部位。由于缘板长边处厚度薄，存在结构突变，当抽拉速率较大时极易产生杂晶，因此主要研究缘板长边处的工艺筋添加方式。
[0039]图2为缘板长边冷却速率测量点位置图，在叶盆、叶背缘板长边上依次等距取9个点，采用不同的抽拉速率进行仿真，测量这18个点的冷却速率，测量结果如图3所示。从曲线中可以发现，叶盆缘板的点2和叶背缘板的点2、点7处冷却速率较大，需要采取措施进行控制，否则极易产生杂晶，因此工艺筋确定在叶盆缘板的点2和叶背缘板的点2、点7处添加，同时这些区域靠近装配连接区域，尺寸较厚，有较强的抗变形能力，能有效减小添加工艺筋对该处缘板的形状、尺寸精度的影响。
[0040]步骤3
[0041]确定工艺筋的添加数量。从图3可以看到，当抽拉速率超过3mm/min时，均会出现杂晶，当抽拉速率为3mm/min时，只有叶背缘板的点2处超过了临界冷却速率，因此只需要添加一根工艺筋即可控制缘板处的杂晶，但是想进一步提升抽拉速率，则至少需要添加三根。
[0042]结合步骤2，最终确定工艺筋的添加位置为叶盆缘板靠近点2的附近，叶背缘板靠近点2、点7的附近。
[0043]步骤4
[0044]确定工艺筋的结构。根据缘板的结构特征，设计工艺筋的结构与尺寸。主要包括工艺筋的截面形状、截面尺寸、伸出长度，如图4所示，具体步骤为：
[0045][1]确定工艺筋的截面形状。由于叶片缘板边缘较薄且为矩形结构，考虑到实际生产过程中的可操作性和有限元网格的易修复性，将工艺筋的横截面设计为矩形。
[0046][2]确定工艺筋横截面宽度C。结合精铸工艺设计手册及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单晶叶片调控缘板杂晶的工艺筋设计方法，该方法的特征在于包括以下步骤：步骤1通过前期仿真计算分析得到某型号叶片整个缘板区域不产生杂晶的临界冷却速率数值。步骤2确定工艺筋的添加位置。添加工艺筋时需要避开包含连接结构的短边，结合缘板各点的冷却速率去选择尺寸较厚、抵抗变形能力较强且极易生成杂晶的部位添加工艺筋。步骤3确定工艺筋的添加数量。结合缘板各点冷却速率随抽拉速率的变化，并遵循不能影响缘板形状及尺寸精度的原则，同时工艺筋的添加位置应该尽可能靠近装配连结区域。步骤4确定工艺筋的结构。根据缘板的结构特征，设计工艺筋的结构与尺寸。主要包括工艺筋的截面形状、截面尺寸、伸出长度。具体步骤为：[1]确定工艺筋的截面形状。由于叶片缘板边缘较薄且为矩形结构，考...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜昆，张海云，邱飞，张瑞媛，张现东，张雅莉，周肖宇，张翔宇，任胜杰，王硕，刘军，李翔，白博贤，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：