【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高温合金熔模精密铸造，具体为一种空心涡轮单晶叶片的快速制备方法。
技术介绍
1、随着航空工业的飞速发展和航空发动机的性能提升，发动机涡轮前进口温度逐步提高，这就对涡轮单晶叶片的承温能力提出了越来越高的要求。受高温合金熔点的限制，通过改善叶片的制备材料来提高叶片的承温能力已接近极限。因此，设计叶片气冷结构、提高叶片的冷却效率已成为叶片设计制造者的常见选择。
2、空心涡轮单晶叶片的制备，传统的熔模精密铸造方法为：依据叶片外型及内腔结构，进行型芯模具和叶片模具设计；使用陶瓷浆料，经型芯模具注射冷却后得到陶瓷型芯湿胚，再通过高温烧结、强化处理，得到陶瓷型芯成品；将陶瓷型芯固定在叶片模具中，注射蜡料，冷却后得到叶片蜡模；进行蜡模组树，然后在模组外表包裹耐火材料制备型壳；型壳脱蜡后浇入合金液，凝固成型铸件，再脱除型壳、型芯，经热处理后，得到最终的空心涡轮单晶叶片铸件。
3、在空心涡轮单晶叶片的制备过程中，型芯模具、叶片模具的设计和制造，所需时间占到整个制造周期的一半以上，且由于尺寸误差、芯腔匹配精度等问题，模具往往需要返修或返工重做，进一步增加叶片制造周期和成本。因此，对数量不多且生产周期要求较短的空心涡轮单晶叶片，急需一种快速高效且可保证尺寸、壁厚精度的制备方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，主要适用于内部含有型腔的等轴晶、定向晶、单晶涡轮单晶叶片的快速制备。
2、本专利技术的技术方案是：p>
3、一种空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，包括如下步骤：
4、(1)数模设计：设计陶瓷型芯数模及叶片分体蜡模数模；
5、(2)型芯制备：将陶瓷型芯浆料及陶瓷型芯数模载入3d打印设备，通过光固化打印得到陶瓷型芯素胚，再进行脱脂、烧结，得到型芯成品；
6、(3)蜡模制备：将蜡料及叶片分体蜡模数模载入3d打印设备，通过光固化打印得到叶片分体蜡模，再去除支撑蜡；
7、(4)芯蜡拼装：将陶瓷型芯固定在叶片分体蜡模中，并将分体蜡模拼装、焊接为完整叶片蜡模；
8、(5)叶片制备：将完整叶片蜡模与浇注系统蜡模进行焊接，完成蜡模组树，再进行制壳、熔铸、脱壳、脱芯、热处理，得到叶片铸件；
9、(6)铸件叶型、壁厚尺寸检验：使用蓝光扫描仪或三坐标测量仪检测铸件外型尺寸，使用超声波测厚仪或工业ct设备检测壁厚尺寸，若尺寸不符合要求，则根据检测结果，反向调整型芯或蜡模的打印模型尺寸，反复迭代快速得到尺寸符合要求的铸件。
10、所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，步骤(1)中，在进行叶片分体蜡模数模设计时，首先在叶片铸件设计加工余量时，在叶尖方向预留出足够大的尺寸余量，并在尺寸余量部分留出孔洞结构，以便与陶瓷型芯固定配合，从而得到铸件数模；然后将该铸件数模沿孔洞中部位置拆分为上下两部分，同时将叶片型腔适当扩大，以避免陶瓷型芯放入蜡模过程中产生干涉受力变形，从而得到上下两个分体的蜡模数模；在进行陶瓷型芯数模设计时，型芯主体部分用以形成铸件型腔，在型芯主体部分上端设计两侧突出结构，从而与分体蜡模的孔洞配合。
11、所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，叶片分体蜡模数模中，孔洞结构为圆角多边形结构，叶盆、叶背各一，每个孔洞被上下两个分体蜡模分为两部分，通过多边形孔洞使型芯主体部分两侧突出结构与上下分体蜡模之间配合定位，孔洞最大尺寸为整体铸件最大尺寸的5％～15％。
12、所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，叶片分体蜡模数模包含辅助性浇注系统，将铸件的补缩浇道、支撑结构、引晶结构数模直接连接在叶片数模上，并与叶片一体进行3d打印成型。
13、所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，陶瓷型芯数模中，两侧突出结构为圆角多边形，呈外大内小的帽状结构，叶盆侧、叶背侧各一；其中，需固定在蜡模内部的型芯主体部分突出结构为“蜡模固定端”，其周向尺寸与蜡模孔洞大小相匹配；需裸露在蜡模外部的型芯主体部分突出结构为“型壳固定端”，其外表面在后续型壳制备、脱蜡后，保证型芯主体部分在型壳中的相对位置不发生串动。
14、所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，陶瓷型芯数模中，型壳固定端的内侧与蜡模外表面相贴合，从而控制型芯与蜡模在壁厚方向上的相对位置，进而保证蜡模外表面与型芯主体部分外表面的距离，实现叶片的壁厚尺寸控制。
15、所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，步骤(2)型芯制备过程中，陶瓷型芯浆料为氧化铝陶瓷粉料、醇类有机溶剂、光敏树脂预混液进行球磨混合后得到；打印型芯素胚后，进行加热、保温，完成型芯脱脂；然后进行高温加热、保温，完成型芯烧结。
16、所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，步骤(3)蜡模制备过程中，蜡料包括构建蜡料及水溶性支撑蜡料，将打印出的蜡模浸洗在工业酒精、聚丙二醇混合溶剂中，并加热、搅拌，去除支撑蜡料。
17、本专利技术的设计思想是：
18、基于陶瓷型芯3d打印技术和蜡模3d打印技术，本专利技术制备尺寸稳定的陶瓷型芯和叶片分体蜡模，将型芯组装到叶片蜡模中，同时通过蜡模及型芯的结构设计，保证蜡模外表面与型芯主体外表面的距离，从而实现叶片的壁厚尺寸控制；同时可将补缩浇道、支撑结构、引晶结构等蜡模同叶片蜡模一体打印成型，提高工艺一致性和蜡模组树工作效率。然后进行制壳、熔铸、脱壳、脱芯、热处理，得到叶片铸件。叶片外型尺寸及壁厚尺寸的控制通过检测后反复迭代，快速得到尺寸符合要求的叶片蜡模和陶瓷型芯，进而得到尺寸满足要求的空心涡轮单晶叶片。由于空心涡轮单晶叶片的制备过程中省去了蜡模模具和型芯模具的设计、制造和返修工作，可大幅缩短空心涡轮单晶叶片的制备周期。
19、本专利技术具有如下优点及有益效果：
20、1、本专利技术易操控，叶片生产周期短、成本低。
21、2、本专利技术可以通过蜡模3d打印技术、陶瓷型芯3d打印技术与铸件尺寸检测相结合，保证对叶片外型、壁厚尺寸的控制，增加空心涡轮单晶叶片铸件的成品率。
22、3、本专利技术适合高温合金空心涡轮单晶叶片的制造，包括单晶、定向、等轴晶叶片的制造。
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1.一种空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.按照权利要求1所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在进行叶片分体蜡模数模设计时，首先在叶片铸件设计加工余量时，在叶尖方向预留出足够大的尺寸余量，并在尺寸余量部分留出孔洞结构，以便与陶瓷型芯固定配合，从而得到铸件数模；然后将该铸件数模沿孔洞中部位置拆分为上下两部分，同时将叶片型腔适当扩大，以避免陶瓷型芯放入蜡模过程中产生干涉受力变形，从而得到上下两个分体的蜡模数模；在进行陶瓷型芯数模设计时，型芯主体部分用以形成铸件型腔，在型芯主体部分上端设计两侧突出结构，从而与分体蜡模的孔洞配合。
3.按照权利要求2所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，叶片分体蜡模数模中，孔洞结构为圆角多边形结构，叶盆、叶背各一，每个孔洞被上下两个分体蜡模分为两部分，通过多边形孔洞使型芯主体部分两侧突出结构与上下分体蜡模之间配合定位，孔洞最大尺寸为整体铸件最大尺寸的5％～15％。
4.按照权利要求2所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，叶片分体蜡模数模包含
5.按照权利要求2所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，陶瓷型芯数模中，两侧突出结构为圆角多边形，呈外大内小的帽状结构，叶盆侧、叶背侧各一；其中，需固定在蜡模内部的型芯主体部分突出结构为“蜡模固定端”，其周向尺寸与蜡模孔洞大小相匹配；需裸露在蜡模外部的型芯主体部分突出结构为“型壳固定端”，其外表面在后续型壳制备、脱蜡后，保证型芯主体部分在型壳中的相对位置不发生串动。
6.按照权利要求5所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，陶瓷型芯数模中，型壳固定端的内侧与蜡模外表面相贴合，从而控制型芯与蜡模在壁厚方向上的相对位置，进而保证蜡模外表面与型芯主体部分外表面的距离，实现叶片的壁厚尺寸控制。
7.按照权利要求1所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，步骤(2)型芯制备过程中，陶瓷型芯浆料为氧化铝陶瓷粉料、醇类有机溶剂、光敏树脂预混液进行球磨混合后得到；打印型芯素胚后，进行加热、保温，完成型芯脱脂；然后进行高温加热、保温，完成型芯烧结。
8.按照权利要求1所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，步骤(3)蜡模制备过程中，蜡料包括构建蜡料及水溶性支撑蜡料，将打印出的蜡模浸洗在工业酒精、聚丙二醇混合溶剂中，并加热、搅拌，去除支撑蜡料。
...【技术特征摘要】
1.一种空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.按照权利要求1所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在进行叶片分体蜡模数模设计时，首先在叶片铸件设计加工余量时，在叶尖方向预留出足够大的尺寸余量，并在尺寸余量部分留出孔洞结构，以便与陶瓷型芯固定配合，从而得到铸件数模；然后将该铸件数模沿孔洞中部位置拆分为上下两部分，同时将叶片型腔适当扩大，以避免陶瓷型芯放入蜡模过程中产生干涉受力变形，从而得到上下两个分体的蜡模数模；在进行陶瓷型芯数模设计时，型芯主体部分用以形成铸件型腔，在型芯主体部分上端设计两侧突出结构，从而与分体蜡模的孔洞配合。
3.按照权利要求2所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，叶片分体蜡模数模中，孔洞结构为圆角多边形结构，叶盆、叶背各一，每个孔洞被上下两个分体蜡模分为两部分，通过多边形孔洞使型芯主体部分两侧突出结构与上下分体蜡模之间配合定位，孔洞最大尺寸为整体铸件最大尺寸的5％～15％。
4.按照权利要求2所述的空心涡轮单晶叶片的快速制备方法，其特征在于，叶片分体蜡模数模包含辅助性浇注系统，将铸件的补缩浇道、支撑结构、引晶结构数模直接连接在叶片数模上，并与叶片一体进行3d打印成型。
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【专利技术属性】
技术研发人员：牟昊，张光睿，邹明科，孟杰，李金国，周亦胄，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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