專利名稱：一種可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于定向凝固鑄型技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法。
背景技術(shù)：
定向凝固是在凝固過(guò)程中應(yīng)用技術(shù)手段，在液-固界面處建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，最終得到定向組織，甚至單晶。定向凝固技術(shù)的出現(xiàn)，提高了高溫合金的力學(xué)性能，特別是在航空領(lǐng)域生產(chǎn)高溫合金的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，較普通鑄造方法獲得的鑄件相比，它使葉片的高溫強(qiáng)度、抗蠕變和持久性能、熱疲勞性能大幅度提高。另外，定向凝固技術(shù)還廣泛應(yīng)用于自生復(fù)合材料的生產(chǎn)制造等等。定向凝固技術(shù)自20世紀(jì)50年代起始，經(jīng)歷了發(fā)熱劑法(EP)、功率降低法(PD)、高速凝固法(HRS )、液態(tài)金屬冷卻法(LMC )、液態(tài)床冷卻法(FBQ )、區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法(ZMLMC)、激光超高溫度梯度快速定向凝固(LRM)、連續(xù)定向凝固法(0CC)、電磁約束成形定向凝固(EMCS)、深過(guò) 冷定向凝固技術(shù)(SDS)和二維定向凝固技術(shù)(BDS)等十余項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，各類定向凝固設(shè)備已日趨成熟。但，目前對(duì)針對(duì)定向凝固“特種鑄型”，即通過(guò)控制壁厚來(lái)保持凝固前界面溫度梯度一致的鑄型的研究較少，尤其是針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，例如空心渦輪葉片的定向凝固鑄型。目前，復(fù)雜的高溫合金結(jié)構(gòu)件制造主要基于熔模制造方法。熔模制造的過(guò)程中型芯、型殼的制造是分別制造，然后裝配在一起。熔模制造方法中的型殼制造主要使用多次涂掛的方法，沒(méi)有關(guān)注對(duì)其厚度及型殼外廓等的控制。這對(duì)定向凝固過(guò)程中，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上空心渦輪葉片這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鑄型溫度傳遞及溫度場(chǎng)分布控制非常不利，因?yàn)檫@樣會(huì)使得凝固過(guò)程中的凝固前界面的溫度梯度不一致，從而導(dǎo)致冷卻速度不一致，使得定向凝固過(guò)程中出現(xiàn)雜晶、偏析等缺陷。由于燃?xì)廨啓C(jī)空心渦輪葉片的外廓非常復(fù)雜，直接導(dǎo)致了型殼外廓的復(fù)雜性。在現(xiàn)有的定向凝固技術(shù)中，根據(jù)熱傳導(dǎo)規(guī)律，型殼壁厚的分布情況對(duì)型殼內(nèi)壁(即與高溫金屬液接觸的壁面)的溫度分布影響較大，直接影響了定向晶的能否生長(zhǎng)及生長(zhǎng)質(zhì)量。但，目前的型殼制造方法難以完成通過(guò)控制鑄型形狀及壁厚均勻性來(lái)完成對(duì)金屬液收到溫度場(chǎng)的控制。所以，發(fā)展一種可以根據(jù)高溫合金定向凝固溫度場(chǎng)要求的鑄型尤為重要，尤其是對(duì)空心渦輪葉片的定向凝固有著非常的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問(wèn)題在于提供一種可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，解決傳統(tǒng)鑄造中型殼難以精確控制，以及定向凝固過(guò)程中型殼溫度場(chǎng)精確控制的問(wèn)題，從而提高高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)的定向凝固質(zhì)量。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一種可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，包括以下步驟:I)針對(duì)待制備的鑄件的結(jié)構(gòu)，在三維軟件中設(shè)計(jì)壁厚均勻的初始鑄型；
2)將初始鑄型導(dǎo)入鑄造軟件中進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析及應(yīng)力分析；在應(yīng)力計(jì)算的過(guò)程中,還對(duì)應(yīng)力集中的區(qū)域,改變鑄型的型殼外壁的形狀以消減應(yīng)力，直到消除應(yīng)力集中或降低應(yīng)力集中；根據(jù)各時(shí)刻的熱應(yīng)力分布情況，選擇符合熱強(qiáng)度、受應(yīng)力最小的壁厚，以該壁厚為消減應(yīng)力后初始鑄型的均勻壁厚，得到二次鑄型；3)將二次鑄型置于定向晶生長(zhǎng)的模擬環(huán)境中進(jìn)行傳熱計(jì)算，并分析溫度場(chǎng)分布規(guī)律及熱場(chǎng)變化規(guī)律，得到二次鑄型的傳熱規(guī)律及溫度梯度分布，并根據(jù)其修改二次鑄型設(shè)計(jì):加厚傳熱較快的鑄型區(qū)域壁厚或改變鑄型外壁形狀，減薄傳熱較慢的鑄型區(qū)域或改變鑄型外壁形狀，直到給出接近定向凝固生長(zhǎng)溫度梯度規(guī)律的壁厚，形成三次鑄型；4)然后對(duì)三次鑄型重復(fù)傳熱計(jì)算、應(yīng)力分析，并進(jìn)行修改直到鑄型內(nèi)壁符合定向凝固的溫度梯度，并能承受定向晶生長(zhǎng)過(guò)程中受到的應(yīng)力，得到鑄件的定型鑄型；5)基于光固化快速成型技術(shù)，根據(jù)定型鑄型設(shè)計(jì)做出相應(yīng)的光固化樹(shù)脂模具，再利用凝膠注模成型方法制造用于鑄件定向凝固鑄造的陶瓷鑄型。所述的初始鑄型在UG軟件中設(shè)計(jì)。所述的消減應(yīng)力的形式為鈍化型殼外壁的尖銳部分，直到消除應(yīng)力集中或降低應(yīng)力集中。所述二次鑄型置于ProCAST軟件提供的定向晶生長(zhǎng)的模擬環(huán)境中進(jìn)行輻射傳熱分析，在ProCAST軟件中建立預(yù)熱模型時(shí)有以下設(shè)置:2.1)設(shè)置鑄件和模殼的換熱系數(shù)為0 ;2.2)在模殼表面設(shè)置傳熱邊界條件，設(shè)置VIEW FACTOR為ON并設(shè)定輻射率；2.3)設(shè)置鑄件為 EMPTY，設(shè)置鑄件狀態(tài)為FULL ；通過(guò)預(yù)熱模型完成預(yù)熱計(jì)算后，使用模殼溫度分布結(jié)果，建立輻射傳熱分析的計(jì)算模型，包括以下設(shè)置:2.4)在預(yù)熱計(jì)算中提取模殼的溫度分布狀態(tài)；2.5)改變鑄件和模殼的0換熱系數(shù)；2.6)去除模殼內(nèi)表面換熱邊界條件，設(shè)置鑄件狀態(tài)為FULL ；在輻射傳熱分析的計(jì)算模型上進(jìn)行輻射傳熱分析，在分析時(shí)鑄件的合金材料參數(shù)的推算采用Lever模型，設(shè)置VIEW FACTOR為0N，運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置在輻射傳熱計(jì)算中的Radiation模塊設(shè)定,福射扣箱及模殼相對(duì)應(yīng)；完成輻射傳熱分析后，得到模殼及鑄件的溫度分布及傳熱規(guī)律，即溫度場(chǎng)分布圖；根據(jù)溫度分布情況和模型進(jìn)行溫度梯度計(jì)算，得到溫度梯度分布圖；結(jié)合熱應(yīng)力場(chǎng)分布情況、溫度場(chǎng)分布情況及溫度梯度分布情況，進(jìn)行綜合分析，指導(dǎo)鑄型設(shè)計(jì)。所述的扣箱的移動(dòng)速率一般設(shè)置為鑄件用金屬液的凝固速率。所述修改鑄型壁厚是利用改變模殼各層的厚度進(jìn)行溫度場(chǎng)的調(diào)控:將模殼沿軸向進(jìn)行分層，分層的層數(shù)N按照每層的厚度h小于凝固速率與時(shí)間的積推算，h=L/N，其中L為鑄型長(zhǎng)，N為分層數(shù)；然后從第一層啟動(dòng)分析，提取鑄型沿截面方向進(jìn)行溫度和溫度梯度分布，沿等溫線進(jìn)行鑄型厚度修改，加厚區(qū)為散熱較快的區(qū)域，加厚形狀按照厚度加厚外緣平行等溫線的形狀情況進(jìn)行修改，數(shù)量級(jí)取h/10 ；按照上述操作重復(fù)計(jì)算，修改鑄型壁厚，直到鑄型內(nèi)壁的溫度沿軸向分布，沒(méi)有周向和徑向溫度梯度，提取沿該層溫度梯度分布矢量圖，分布均勻的部位不需修改；累積各層完成鑄型厚度優(yōu)化，再次在ProCAST軟件中進(jìn)行應(yīng)力及一般傳熱分析，校核型殼強(qiáng)度，完成三次鑄型設(shè)計(jì)。所述根據(jù)定型鑄型設(shè)計(jì)做出相應(yīng)的光固化樹(shù)脂模具為:光固化樹(shù)脂模具的設(shè)計(jì)在UG軟件中完成，基于定型鑄型，根據(jù)部件的功能和形狀確定澆注位置、設(shè)計(jì)澆冒口 ；并根據(jù)GB/T6414-1999增加鑄造圓角R0.5 I ;光固化樹(shù)脂模具添加澆注外殼，外殼厚I 2mm，并在外殼上添加增強(qiáng)肋片；在光固化樹(shù)脂模具設(shè)計(jì)后以STL行駛導(dǎo)出，再將STL文件導(dǎo)入Magics軟件中抽殼、添加支撐，導(dǎo)出SLC文件JfSLC文件加載到光固化成型機(jī)RPbuild軟件中，控制光固化成型機(jī)自動(dòng)制備樹(shù)脂件；制備完成后，去除樹(shù)脂件輔助支撐，用酒精清洗樹(shù)脂原型件2 3次，保證殘留液態(tài)樹(shù)脂完全清理干凈。所述凝膠注模成型采用以下方法進(jìn)行陶瓷漿料的制備:1)依據(jù)光固化樹(shù)脂模具的容積及陶瓷粉料顆粒的固相含量計(jì)算去離子水的體積，然后依次加入有機(jī)單體、交聯(lián)劑和分散劑，攪拌溶解，用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值為10 11，得到有機(jī)物濃度為20%的預(yù)混液；2)將陶瓷粉料分批加入預(yù)混液中，加入2 3倍質(zhì)量的磨球，球墨1.5h以上，獲得粘度小于IPa S、固相體積分?jǐn)?shù)為60vol%的陶瓷漿料；所述的陶瓷粉料包括粒度20 25 ii m的粗顆粒氧化鋁粉體、粒度I 5 y m的細(xì)顆粒的氧化鋁粉體和氧化鎂礦化劑。所述的陶瓷鑄型的制備包括:1)依次將催化劑及引發(fā)劑加入陶瓷漿料，并使其快速均勻分散，接著將樹(shù)脂模具放置于振動(dòng)注漿機(jī)中，振動(dòng)頻率為30Hz 60Hz，注入陶瓷漿料，獲得陶瓷素坯；然后在真空下冷凍干燥，使陶瓷素坯中的水分從固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)；2)然后將陶瓷素坯脫去樹(shù)脂，脫去樹(shù)脂后預(yù)燒結(jié)，預(yù)燒結(jié)溫度<120(TC ;預(yù)燒結(jié)后的陶瓷鑄型內(nèi)部存在一定的灰燼，用壓縮空氣對(duì)陶瓷型殼內(nèi)的殘留灰燼進(jìn)行清理，壓縮空氣壓力小于2Mpa ；3)最后進(jìn)行終燒結(jié)，燒結(jié)溫度1350°C 1550°C，獲得陶瓷鑄型。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:本發(fā)明提供的可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，基于定向晶體生長(zhǎng)控制和基于快速成型技術(shù)的鑄型制造工藝，解決傳統(tǒng)鑄造中型殼難以精確控制，以及定向凝固過(guò)程中型殼溫度場(chǎng)精確控制的問(wèn)題，從而提高高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)的定向凝固質(zhì)量，較快實(shí)現(xiàn)高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工業(yè)化生產(chǎn)；特別是適用于燃?xì)廨啓C(jī)空心渦輪定向晶葉片的鑄型設(shè)計(jì)及其制造。本發(fā)明提供的可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，解決了在高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)定向凝固過(guò)程中鑄型對(duì)定向晶生長(zhǎng)的影響問(wèn)題，例如，在空心渦輪葉片制造過(guò)程中通過(guò)鑄型來(lái)控制復(fù)雜部位的溫度梯度，滿足定向晶生長(zhǎng)條件。本發(fā)明提供的可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，避免了定向凝固特種鑄型制造的精度難以控制的一系列問(wèn)題，如鑄型厚度的精準(zhǔn)控制，鑄型厚度按照設(shè)計(jì)要求精準(zhǔn)控制可以保持鑄型內(nèi)壁的溫度梯度在周向和徑向維持在一個(gè)恒定的數(shù)值上，即鑄型的變厚度設(shè)計(jì)可以保證鑄型的所受的溫度梯度只有軸向具有，這樣為鑄件的定向凝固提供了必要條件；鑄型外形的精準(zhǔn)控制，外形按照設(shè)計(jì)要求精準(zhǔn)控制可以保持整體鑄造結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和消減應(yīng)力集中，這樣使得定向凝固過(guò)程中鑄型不至于因?yàn)樯舷螺^大的溫度梯度而產(chǎn)生缺陷或發(fā)生破壞，也是完成葉片定向凝固的必要條件。本發(fā)明提出的鑄型設(shè)計(jì)制造方法為完成高溫合金定向凝固的制造提供了必要條件和基礎(chǔ)。可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，也解決了傳統(tǒng)定向凝固過(guò)程中鑄型所受到的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)難以控制的問(wèn)題，有效的修正了鑄型內(nèi)壁的溫度梯度，并一定程度的避免了熱應(yīng)力及其他有害應(yīng)力所造成的開(kāi)裂、應(yīng)力變形等問(wèn)題?？煽乇诤竦亩ㄏ蚰惕T型的制備方法，采用了 CAE技術(shù)-制造技術(shù)一體化設(shè)計(jì)，可以清楚地獲知高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)，例如空心渦輪葉片在定向凝固過(guò)程中的熱傳導(dǎo)規(guī)律和應(yīng)力分布及傳遞規(guī)律。對(duì)定向凝固生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，縮短了鑄型的設(shè)計(jì)制作周期，并且操作簡(jiǎn)單，耗費(fèi)較少。還可以實(shí)現(xiàn)特種定向晶、單晶產(chǎn)品(例如葉片)的針對(duì)設(shè)計(jì)，也可以實(shí)現(xiàn)廣泛高溫合金結(jié)構(gòu)的通用設(shè)計(jì)，易于推廣。


圖1-1為作為鑄件的葉片的示意圖；圖1-2為鑄件的澆注系統(tǒng)的示意圖；圖1-3為鑄型的三維設(shè)計(jì)示意圖；圖2-1為型殼熱應(yīng)力隨厚度的時(shí)間-應(yīng)力變化,橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為應(yīng)力；圖2-2為型殼熱應(yīng)力隨`厚度的時(shí)間-熱應(yīng)力變化，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為熱應(yīng)力；圖3為鑄件熱物性參數(shù)(Ni基高溫合金K4169)分析圖，其中各圖中橫坐標(biāo)均為溫度，縱坐標(biāo)分別為固相率、熱傳導(dǎo)系數(shù)、密度和熱焓；圖4為ProCAST界面中的熱場(chǎng)分布示意圖；圖5為型殼沿軸向切片示意圖；圖6為初始設(shè)計(jì)鑄型截面熱傳導(dǎo)溫度分布7為二次修改后鑄型設(shè)計(jì)截面圖；圖8為修改截面溫度分布圖；圖9為符合定向凝固溫度梯度要求的鑄型溫度分布圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。一種可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，包括以下步驟:I)針對(duì)待制備的鑄件的結(jié)構(gòu)，在三維軟件中設(shè)計(jì)壁厚均勻的初始鑄型；2)將初始鑄型導(dǎo)入鑄造軟件中進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析及應(yīng)力分析；在應(yīng)力計(jì)算的過(guò)程中,還對(duì)應(yīng)力集中的區(qū)域,改變鑄型的型殼外壁的形狀以消減應(yīng)力，直到消除應(yīng)力集中或降低應(yīng)力集中；根據(jù)各時(shí)刻的熱應(yīng)力分布情況，選擇符合熱強(qiáng)度、受應(yīng)力最小的壁厚，以該壁厚為消減應(yīng)力后初始鑄型的均勻壁厚，得到二次鑄型；3)將二次鑄型置于定向晶生長(zhǎng)的模擬環(huán)境中進(jìn)行傳熱計(jì)算，并分析溫度場(chǎng)分布規(guī)律及熱場(chǎng)變化規(guī)律，得到二次鑄型的傳熱規(guī)律及溫度梯度分布，并根據(jù)其修改二次鑄型設(shè)計(jì):加厚傳熱較快的鑄型區(qū)域壁厚或改變鑄型外壁形狀，減薄傳熱較慢的鑄型區(qū)域或改變鑄型外壁形狀，直到給出接近定向凝固生長(zhǎng)溫度梯度規(guī)律的壁厚，形成三次鑄型；4)然后對(duì)三次鑄型重復(fù)傳熱計(jì)算、應(yīng)力分析，并進(jìn)行修改直到鑄型內(nèi)壁符合定向凝固的溫度梯度，并能承受定向晶生長(zhǎng)過(guò)程中受到的應(yīng)力，得到鑄件的定型鑄型；5)基于光固化快速成型技術(shù)，根據(jù)定型鑄型設(shè)計(jì)做出相應(yīng)的光固化樹(shù)脂模具，再利用凝膠注模成型方法制造用于鑄件定向凝固鑄造的陶瓷鑄型。下面給出了某種葉片可以形成最適宜生長(zhǎng)定向晶溫度梯度的的熱傳導(dǎo)鑄型截面設(shè)計(jì)及制備，步驟如下:根據(jù)圖1-1所示的葉片的三維模型，葉片高約192.5臟，連接隼根約80臟，隼根最寬處約166_。并結(jié)合頂注式澆注位置設(shè)計(jì)，考慮將薄壁葉身設(shè)置在遠(yuǎn)離澆冒口的位置這一原則設(shè)計(jì)如圖1-2所示的澆注系統(tǒng)。選擇頂注式是出于以下考慮:燃?xì)廨啓C(jī)空心渦輪葉片形狀復(fù)雜，壁薄且不均勻，不合理的澆注系統(tǒng)使葉片產(chǎn)生較多缺陷。底注式澆注系統(tǒng)不易將薄壁結(jié)構(gòu)充型完全，所以選擇頂注式澆注位置。另外，將葉身設(shè)置在遠(yuǎn)離澆冒口位置是出于以下考慮:在定向凝固過(guò)程中，鑄型先被預(yù)熱，然后經(jīng)過(guò)真空熔煉的金屬液將鑄型完全充滿，然后移動(dòng)至定向凝固爐的加熱區(qū)、絕熱區(qū)和冷卻區(qū)進(jìn)行定向晶體的生長(zhǎng)。這樣設(shè)置澆冒口位置，使得制造的葉片質(zhì)量較高。根據(jù)鑄造工程師手冊(cè)，設(shè)計(jì)澆口杯上端直徑140mm，下端直徑80mm，澆口杯高度50mm。由阻流面積法即Osann 公式校核內(nèi)澆道面積，并利用模數(shù)法校核澆冒口尺寸，上述尺寸符合實(shí)際澆注要求。根據(jù)圖1-2設(shè)計(jì)鑄型，鑄型三維圖見(jiàn)圖1-3。在三維軟件(如UG軟件)中設(shè)計(jì)初始鑄型，此時(shí)的鑄型壁厚為均勻的。比如選擇6mm、9mm、12mm和15mm幾種均勻壁厚的型殼進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算。并在ProCAST軟件應(yīng)力分析模塊進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算。注意，此處的熱應(yīng)力計(jì)算為普通熱場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，并不是定向凝固條件下的計(jì)算，原因是金屬液的充型在進(jìn)入定向凝固爐前已經(jīng)完成。圖2-1、圖2-2為不同厚度型殼澆冒口處的熱應(yīng)力分析，由圖可見(jiàn)，當(dāng)型殼厚度由15mm減小到9mm時(shí),任一時(shí)刻的熱應(yīng)力都隨著厚度的減小而降低,而當(dāng)型殼厚度為6mm時(shí)，型殼熱應(yīng)力顯著增加，甚至高于15_厚度型殼的熱應(yīng)力。其中，圖2-1為熱應(yīng)力隨時(shí)間的變化圖，方塊表示厚度為6mm的熱應(yīng)力變化圖，為最上一條曲線；圓點(diǎn)表不厚度為9mm的熱應(yīng)力變化圖為最下一條曲線；上二角表不厚度為12_的熱應(yīng)力變化圖，為從下數(shù)第二條曲線；下三角表示厚度為15_的熱應(yīng)力變化圖，為從下數(shù)第三條曲線，表明型殼厚度為9_的型殼熱應(yīng)力最小。圖2-2中可以看出在各個(gè)時(shí)亥1J，厚度為9mm型殼的熱應(yīng)力均為最小。接著將初始鑄型置于定向晶生長(zhǎng)的模擬環(huán)境(如ProCAST軟件)中進(jìn)行熱應(yīng)力及輻射傳熱分析。然后將初始鑄型導(dǎo)入鑄造軟件(如ProCAST軟件)中進(jìn)行傳熱及應(yīng)力分析，查看各個(gè)時(shí)刻的熱應(yīng)力分布情況，確定一種符合熱強(qiáng)度設(shè)計(jì)的最優(yōu)化型殼壁厚。
要完成輻射傳熱分析，在ProCAST軟件中需要先完成預(yù)熱計(jì)算，建立預(yù)熱模型需要注意:I)設(shè)置鑄件和模殼的換熱系數(shù)為0 ;2)在模殼表面設(shè)置傳熱邊界條件，設(shè)置VIEW FACTOR為ON并設(shè)定輻射率；3)設(shè)置鑄件為EMPTY。完成預(yù)熱計(jì)算后，使用模殼溫度分布結(jié)果，建立輻射傳熱分析的計(jì)算模型，在輻射傳熱中需要注意:I)在預(yù)熱計(jì)算中提取模殼的溫度 分布狀態(tài)；2 )改變鑄件和模殼的0換熱系數(shù)；3)去除模殼內(nèi)表面換熱邊界條件。由于定向凝固過(guò)程中，金屬液的充型在真空熔煉爐中完成，此處計(jì)算只需要完成傳熱計(jì)算，所以設(shè)置鑄件狀態(tài)為FULL。傳熱計(jì)算中模擬主要的控制點(diǎn):I)高溫合金材料參數(shù)。一般空心渦輪葉片所用的高溫合金成分都非常復(fù)雜，沒(méi)有現(xiàn)成的材料參數(shù)圖可以查看。但是可以根據(jù)計(jì)算模型進(jìn)行推算。ProCAST軟件中有材料參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和進(jìn)行推算的計(jì)算模型能完成高溫合金材料參數(shù)推算。高溫合金材料參數(shù)的推算采用Lever模型。2)邊界條件。在第一步預(yù)熱計(jì)算和第二步輻射傳熱計(jì)算中都要將VIEW FACTOR置于ON狀態(tài)。3)運(yùn)行參數(shù)在輻射傳熱計(jì)算中的Radiation模塊(RUN PARAMETER)中設(shè)定，注意福射扣箱及模殼相對(duì)應(yīng)。具體的，在厚度為9mm的均勻壁厚型殼上進(jìn)行熱場(chǎng)分析。熱場(chǎng)分析所用到的型殼熱物性參數(shù)為:熱擴(kuò)散系數(shù)1.513±0.002mm2/s,比熱為0.784±0.017J/(g K)，熱導(dǎo)率為
2.3580.004ff/(m K)。以上熱物性參數(shù)由LFA447閃光導(dǎo)熱儀測(cè)定。熱場(chǎng)分析所用到的葉片熱物性參數(shù)可以由ProCAST軟件材料數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算得到，見(jiàn)圖3。將上述熱物性參數(shù)輸入PtoCAST軟件進(jìn)行熱場(chǎng)計(jì)算。初始條件為葉片金屬液溫高1600°C，型殼溫度為輻射加熱1550°C。邊界條件為葉片底部施加35°C水冷盤(pán)邊界，凝固界面處施加35 °C冷凝環(huán)邊界。在應(yīng)力計(jì)算的過(guò)程中查看應(yīng)力集中的區(qū)域，應(yīng)力集中的存在會(huì)使得高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)在定向凝固過(guò)程中，型殼出現(xiàn)熱裂或金屬液沖擊出現(xiàn)裂紋等缺陷的發(fā)生，為了避免這些缺陷及問(wèn)題的出現(xiàn)需要將型殼外壁進(jìn)行消減應(yīng)力處理。消減應(yīng)力的形式主要為鈍化型殼夕卜壁的尖銳部分，例如隼根與葉身的連接處，直到消除應(yīng)力集中或降低應(yīng)力集中。需要注意的是，定向凝固過(guò)程中鑄型為輻射加熱和散熱，在ProCAST計(jì)算過(guò)程中要添加輻射扣箱?？巯湟苿?dòng)速率一般設(shè)置為金屬液的凝固速率。完成上述所有計(jì)算后會(huì)得到模殼及葉片鑄件的溫度分布及傳熱規(guī)律，即溫度場(chǎng)分布圖；根據(jù)溫度分布情況和模型進(jìn)行溫度梯度計(jì)算(ProCAST溫度參數(shù)計(jì)算法)，即溫度梯度分布圖。結(jié)合應(yīng)力計(jì)算的熱應(yīng)力場(chǎng)分布情況，溫度場(chǎng)分布情況及溫度梯度分布情況，進(jìn)行綜合分析，指導(dǎo)鑄型設(shè)計(jì)。圖4為鑄型一次設(shè)計(jì)的整體溫度場(chǎng)分布，可以看出，在葉身凹面溫度傳輸通葉身凸面不同，這樣會(huì)產(chǎn)生周向和徑向溫度梯度。周向和徑向的溫度梯度會(huì)導(dǎo)致在葉身處模殼內(nèi)壁形核，這樣不利于定向晶的形成，所以采用變厚度型殼設(shè)計(jì)。圖4中溫度變化范圍為35°C 1600°C，圖中型殼從下至上為葉身外殼、隼根外殼及燒冒口外殼，溫度依次由低到高，各部大概的溫度范圍為:葉身外殼主要處于1070.2°C 1286.(TC之間；隼根外殼主要處于1182.5°C 1391.3°C之間；澆冒口外殼溫度在1391.3°C 1495.6°C左右?？梢悦黠@看出在葉身中部有溫度不均勻部位。也可以在圖6中看出。由圖4可見(jiàn)溫度在葉片端部即底部能保持只沿軸向的溫度梯度，但是到了葉身處，葉身凹處和葉身凸處的溫度就出現(xiàn)在同一個(gè)切面出現(xiàn)不同溫度分布，即存在周向和徑向溫度梯度。鑄型的溫度分布除了與鑄型及鑄件的物性參數(shù)有關(guān)，還與形狀有關(guān)。鑄件和模殼形狀的不同會(huì)導(dǎo)致模殼溫度分布的不均勻，等均勻壁厚的模殼不會(huì)改變不均勻的溫度分布，所以，可以利用改變模殼各層的厚度進(jìn)行溫度場(chǎng)的調(diào)控。根據(jù)初始鑄型的溫度分布規(guī)律，將鑄型散熱較快的區(qū)域加厚或改變鑄型外壁形狀，修改鑄型壁厚的方法:將模殼沿軸向，即長(zhǎng)向進(jìn)行分層，分層的層數(shù)N按照每層的厚度h=L/N，(其中L為鑄型長(zhǎng)，N為分層數(shù)目)小于凝固速率與時(shí)間的積推算。然后從第一層啟動(dòng)分析，提取鑄型沿截面方向進(jìn)行溫度和溫度梯度分布，沿等溫線進(jìn)行鑄型厚度修改，加厚區(qū)為散熱較快的區(qū)域，加厚形狀按照等溫線(厚度加厚外緣平行等溫線)的形狀情況進(jìn)行修改，數(shù)量級(jí)取h/10。然后重復(fù)計(jì)算，修改鑄型壁厚，直到鑄型內(nèi)壁的溫度沿軸向分布，即鑄型上只有軸向溫度梯度 ，沒(méi)有周向和徑向溫度梯度，修改二次設(shè)計(jì)，完成三次設(shè)計(jì)。提取沿該層溫度梯度分布矢量圖，分布均勻的部位不需修改。注意:鑄型厚度的最小值為根據(jù)應(yīng)力計(jì)算得出的鑄型厚度。具體的變厚度設(shè)計(jì)的方法為:將葉片型殼沿軸向即葉片的長(zhǎng)向進(jìn)行切片，也就是沿軸線將葉片分為若干分，如圖5所示，從葉片前緣即葉片距離隼根最遠(yuǎn)的前端進(jìn)行逐層分析。單層分析按下述方法:取一層進(jìn)行溫度場(chǎng)提取，見(jiàn)圖6。觀察到葉片橫截面的拓?fù)湫螤顬殚L(zhǎng)扁形，并且在長(zhǎng)向一邊內(nèi)凹，在散熱的過(guò)程中，其曲率較大的兩端(圖6中A、B兩處)散熱較快，為了保持在同一橫截面鑄型內(nèi)壁溫度保持一致，即在型殼的周向和徑向不存在溫度梯度，按照溫度場(chǎng)計(jì)算的分布結(jié)果進(jìn)行厚度修改。然后取其臨近的下一層重復(fù)這種方法進(jìn)行厚度改變，直到將所有分層都完成溫度分析，厚度設(shè)計(jì)，最終形成二次設(shè)計(jì)。圖6中溫度變化比例尺為35°C 1600°c，該截面的溫度變化范圍為1078.2°C 1391.3°C。型殼內(nèi)壁的溫度主要為1300°C左右，在A處內(nèi)壁溫度降低為1100°C左右，在B處內(nèi)壁溫度降低為1200°C左右，A、B處的型殼外壁溫度都降低至1100°C左右，但在型殼外壁的其他部位則接近1200°C左右，明顯存在周向及徑向溫度梯度。由圖6可見(jiàn)，葉片某截面A處和B處的散熱較快，其中A處散熱最快，按照軟件計(jì)算出的溫度分布量度進(jìn)行厚度增加，因?yàn)锳處散熱更快，所以A、B處所在的邊緣加厚，以得到使型殼內(nèi)壁溫度在該層均勻的型殼壁厚設(shè)計(jì)。因?yàn)樵诙ㄏ蚰踢^(guò)程中，外部圓形水冷環(huán)的溫度最先傳遞到葉片邊緣A處，接著傳遞至另一邊緣B處，鑄型內(nèi)壁并未形成均勻的溫度場(chǎng)，定向晶的生長(zhǎng)在這種存在周向及徑向溫度梯度的部位出現(xiàn)中斷或是出現(xiàn)晶粒偏向生長(zhǎng)，對(duì)整體定向凝固葉片的鑄造不利，所以根據(jù)溫度場(chǎng)分布結(jié)果修改初始設(shè)計(jì)，示意圖見(jiàn)圖1。經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)后的鑄型在葉片邊緣部分較葉片平面部分較厚，如圖7所示。這樣在溫度傳遞過(guò)程中傳遞較快的葉片邊緣部分需要經(jīng)過(guò)較厚的傳遞介質(zhì)。將修改過(guò)的葉片截面導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行傳熱分析并進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖8。圖8中模殼的溫度分布范圍大約為614.556°C 1300°C鑄型外壁的溫度分布不均勻，最低處為614.556°C，最高處為759.444°C ;鑄型內(nèi)壁的溫度分布則非常均勻，都保持在1300 °C 左右。雖然在葉片兩端處的兩點(diǎn)傳熱不均勻，但傳至模殼內(nèi)壁的溫度就均勻的保持在1300 0C左右，隨著時(shí)間的推移，模殼內(nèi)壁的溫度均勻地降低至金屬固相線溫度(1267 °C )，這樣，綜合傳遞速率與傳遞介質(zhì)厚度等綜合因素，可以保證熱量傳導(dǎo)至鑄型內(nèi)壁只沿定向晶生長(zhǎng)的方向有溫度梯度，基本可以滿足定向晶生長(zhǎng)的單向溫度梯度要求。上述設(shè)計(jì)方法為整體型殼某一層的壁厚設(shè)計(jì)方法，如果要獲得葉片鑄型滿足定向凝固溫度梯度要求的整體設(shè)計(jì)必須按照上述設(shè)計(jì)、分析方法完成每一層的變厚度修改設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后再次將鑄型三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入ProCAST軟件中進(jìn)行輻射傳熱計(jì)算，獲得如圖9的型殼溫度分布圖。如果未獲得理想的溫度分布結(jié)果，還需要修改壁厚，重復(fù)上述步驟，直到滿足溫度梯度分布的要求。圖9為模擬定向凝固的過(guò)程中鑄型移動(dòng)至某一位置的溫度分布圖。其中溫度變化范圍為35°C 1600°C，圖中型殼從下至上為葉身外殼、隼根外殼及澆冒口外殼，溫度依次由低到高，葉身各部的溫度由下至上分為為逐層升高，產(chǎn)生沿軸向的單向溫度梯度這是因?yàn)殡S著晶體的單向生長(zhǎng)，在固液界面以上的部分為均勻的熱液，所以溫度保持在較高的區(qū)域。獲得優(yōu)化過(guò)的鑄型厚度后， 再次在ProCAST軟件中進(jìn)行應(yīng)力及一般傳熱計(jì)算，校核型殼強(qiáng)度。一般一次設(shè)計(jì)并不能完成上述滿足要求的設(shè)計(jì)，需要多次重復(fù)修改鑄型的壁厚信息，直到保持每層的型殼內(nèi)壁溫度都不存在周向及徑向溫度，只有沿軸向的單向溫度梯度，才能確定最終設(shè)計(jì)。三次鑄型設(shè)計(jì):完成二次設(shè)計(jì)后，將變厚度型殼置于ProCAST軟件中進(jìn)行輻射傳熱計(jì)算。熱物性參數(shù)、初始條件、邊界條件等均不改變。然后進(jìn)行溫度場(chǎng)查看，溫度梯度分析，如果扔存在周向及徑向梯度，進(jìn)一步修改各層厚度，進(jìn)行三次設(shè)計(jì)。然后重復(fù)應(yīng)力計(jì)算及傳熱計(jì)算，修改設(shè)計(jì)，即重復(fù)步驟1-4，直到鑄型內(nèi)壁，即與高溫合金金屬液接觸的地方符合定向凝固的溫度梯度，并能承受定向晶生長(zhǎng)過(guò)程中受到的應(yīng)力，確定鑄型三維設(shè)計(jì)，即為型殼的最終設(shè)計(jì)。完成設(shè)計(jì)后，基于光固化一體化成型技術(shù)，根據(jù)最終的鑄型設(shè)計(jì)對(duì)光固化原型進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并添加必要的輔助工藝結(jié)構(gòu)，如澆注外殼等，制造樹(shù)脂原型及澆注殼，然后利用凝膠注模的方法制造出符合設(shè)計(jì)的陶瓷(AL-系)鑄型，然后在真空定向凝固爐(三室，包含真空熔煉室，保溫室及冷卻室)中完成定向凝固高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如葉片的定向生長(zhǎng)。。具體方法為:使用最終的模殼設(shè)計(jì)，在UG軟件中完成相應(yīng)的樹(shù)脂原型及澆注殼設(shè)計(jì)，接著在光固化成型機(jī)中制造出樹(shù)脂原型及澆注殼；然后調(diào)配好符合強(qiáng)度及性能要求的Al-系陶瓷漿料，利用樹(shù)脂原型及澆注殼鑄造陶瓷模殼，經(jīng)過(guò)固化、干燥、預(yù)燒結(jié)及終燒結(jié)等步驟，獲得最終的陶瓷鑄型實(shí)體；最后在真空定向凝固爐中制造高溫合金定向晶產(chǎn)品。陶瓷型殼制備的主要控制點(diǎn):I)原材料與設(shè)備。制備陶瓷鑄型所用的原材料必須存放在封閉包裝袋或封閉包裝桶中，在干燥、通風(fēng)的環(huán)境下保存。制備陶瓷型殼的原材料成分主要包括粗顆粒(25 ym)和細(xì)顆粒(5 y m或納米級(jí))氧化鋁粉體、氧化鎂礦化劑、去離子水、丙烯酰胺、亞甲基雙丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉(濃度18%左右)、聚乙二醇、過(guò)硫酸銨(濃度30%左右)、四甲基己二胺(濃度25%左右)和濃氨水等。所用到的設(shè)備主要包括光固化快速成型機(jī)(SPS450B)、球磨機(jī)、凝膠注模成型機(jī)、真空冷凍干燥機(jī)和真空壓力浸潰機(jī)。2)光固化原型設(shè)計(jì)及制備。光固化原型的設(shè)計(jì)在UG軟件中完成，根據(jù)GB/T6414-1999增加鑄造圓角R0.5 I。基于空心渦輪葉片的三維造型，根據(jù)部件的功能和形狀確定澆注位置、設(shè)計(jì)澆冒口。然后再澆注系統(tǒng)外添加澆注外殼，外殼用于保證陶瓷型殼外形和厚度，為了保證陶瓷漿料充型后整個(gè)樹(shù)脂原型具有足夠的強(qiáng)度，樹(shù)脂外殼厚I 2mm，并在澆注外殼上添加增強(qiáng)肋片，厚1mm，寬3 5mm。在UG軟件中完成上述設(shè)計(jì)后，將數(shù)據(jù)以STL行駛導(dǎo)出，導(dǎo)出設(shè)置三角公差為0.05，相鄰公差為0.05，自動(dòng)法線生成。然后將STL文件導(dǎo)入Magics軟件中抽殼、添加支撐，導(dǎo)出SLC文件。將SLC文件加載到光固化成型機(jī)RPbuild軟件中，控制光固化成型機(jī)自動(dòng)制備樹(shù)脂件。制備完成后，去除樹(shù)脂件輔助支撐，用工業(yè)酒精清洗樹(shù)脂原型件2 3次，保證殘留液態(tài)樹(shù)脂完全清理干凈。注意:葉片原型與澆注外殼分別制造，然后裝配到一起，這樣做便于清洗樹(shù)脂原型，并且易于對(duì)葉片原型表面進(jìn)行后處理。3)陶瓷漿料調(diào)配這一過(guò)程首先完成預(yù)混液的制備。依據(jù)光固化樹(shù)脂模具的容積及陶瓷粉料顆粒的固相含量計(jì)算去離子水的體積，然后依次加入有機(jī)單體(丙烯酰胺或其替代物)、交聯(lián)劑(亞甲基雙丙烯酰胺)和分散劑(聚丙烯酸鈉)等，攪拌溶解，用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的PH值，保持在堿性范圍(10 11)內(nèi)，最終·得到有機(jī)物濃度為20%的預(yù)混液。然后制備水基陶瓷漿料。將陶瓷粉料分批加入預(yù)混液中，加入2 3倍質(zhì)量的磨球，球墨1.5h以上，獲得粘度小于IPa S、固相體積分?jǐn)?shù)為60vol%的陶瓷漿料。4)陶瓷鑄型的制備先完成素坯的制作，即依次將催化劑(四甲基己二胺)及引發(fā)劑(過(guò)硫酸銨)加入陶瓷漿料，并使其快速均勻分散，接著將樹(shù)脂模具放置于振動(dòng)注漿機(jī)中，振動(dòng)頻率為30Hz 60Hz，注入陶瓷漿料(該過(guò)程必須保持陶瓷漿料流動(dòng)平穩(wěn)且緩慢，保證漿料中氣泡的順利排出)，獲得陶瓷素坯。然后在真空下冷凍干燥。進(jìn)行冷凍干燥的目的是使素坯中的水分從固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，這樣可以控制陶瓷鑄型的收縮率。下一步進(jìn)行陶瓷鑄型的脫脂與預(yù)燒結(jié)(燒結(jié)溫度<120(TC )。然后進(jìn)行多次浸潰(該步非必須，如果陶瓷鑄型的強(qiáng)度足夠，該步可以省略)。最后，進(jìn)行終燒結(jié)(燒結(jié)溫度1350°C 1550°C)。注意:預(yù)燒結(jié)后的陶瓷鑄型內(nèi)部存在一定的灰燼，用壓縮空氣對(duì)陶瓷型殼內(nèi)的殘留灰燼進(jìn)行清理，壓縮空氣壓力小于2MPa。獲得符合定向凝固要求的陶瓷鑄型后，將其置于三室真空定向凝固爐中進(jìn)行空心渦輪葉片的定向凝固鑄造。
權(quán)利要求
1.一種可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)針對(duì)待制備的鑄件的結(jié)構(gòu)，在三維軟件中設(shè)計(jì)壁厚均勻的初始鑄型； 2)將初始鑄型導(dǎo)入鑄造軟件中進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析及應(yīng)力分析；在應(yīng)力計(jì)算的過(guò)程中，還對(duì)應(yīng)力集中的區(qū)域，改變鑄型的型殼外壁的形狀以消減應(yīng)力，直到消除應(yīng)力集中或降低應(yīng)力集中；根據(jù)各時(shí)刻的熱應(yīng)力分布情況，選擇符合熱強(qiáng)度、受應(yīng)力最小的壁厚，以該壁厚為消減應(yīng)力后初始鑄型的均勻壁厚，得到二次鑄型； 3)將二次鑄型置于定向晶生長(zhǎng)的模擬環(huán)境中進(jìn)行傳熱計(jì)算，并分析溫度場(chǎng)分布規(guī)律及熱場(chǎng)變化規(guī)律，得到二次鑄型的傳熱規(guī)律及溫度梯度分布，并根據(jù)其修改二次鑄型設(shè)計(jì):力口厚傳熱較快的鑄型區(qū)域壁厚或改變鑄型外壁形狀，減薄傳熱較慢的鑄型區(qū)域或改變鑄型外壁形狀，直到給出接近定向凝固生長(zhǎng)溫度梯度規(guī)律的壁厚，形成三次鑄型； 4)然后對(duì)三次鑄型重復(fù)傳熱計(jì)算、應(yīng)力分析，并進(jìn)行修改直到鑄型內(nèi)壁符合定向凝固的溫度梯度，并能承受定向晶生長(zhǎng)過(guò) 程中受到的應(yīng)力，得到鑄件的定型鑄型； 5)基于光固化快速成型技術(shù)，根據(jù)定型鑄型設(shè)計(jì)做出相應(yīng)的光固化樹(shù)脂模具，再利用凝膠注模成型方法制造用于鑄件定向凝固鑄造的陶瓷鑄型。
2.如權(quán)利要求1所述的可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，其特征在于，所述的初始鑄型在UG軟件中設(shè)計(jì)。
3.如權(quán)利要求1所述的可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，其特征在于，所述的消減應(yīng)力的形式為鈍化型殼外壁的尖銳部分，直到消除應(yīng)力集中或降低應(yīng)力集中。
4.如權(quán)利要求1所述的可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，其特征在于，所述二次鑄型置于ProCAST軟件提供的定向晶生長(zhǎng)的模擬環(huán)境中進(jìn)行輻射傳熱分析，在ProCAST軟件中建立預(yù)熱模型時(shí)有以下設(shè)置: 2.1)設(shè)置鑄件和模殼的換熱系數(shù)為0 ; 2.2)在模殼表面設(shè)置傳熱邊界條件，設(shè)置VIEW FACTOR為ON并設(shè)定輻射率； 2.3)設(shè)置鑄件為EMPTY，設(shè)置鑄件狀態(tài)為FULL ； 通過(guò)預(yù)熱模型完成預(yù)熱計(jì)算后，使用模殼溫度分布結(jié)果，建立輻射傳熱分析的計(jì)算模型，包括以下設(shè)置: 2.4)在預(yù)熱計(jì)算中提取模殼的溫度分布狀態(tài)； 2.5)改變鑄件和模殼的0換熱系數(shù)； 2.6)去除模殼內(nèi)表面換熱邊界條件，設(shè)置鑄件狀態(tài)為FULL ； 在輻射傳熱分析的計(jì)算模型上進(jìn)行輻射傳熱分析，在分析時(shí)鑄件的合金材料參數(shù)的推算采用Lever模型，設(shè)置VIEW FACTOR為0N，運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置在輻射傳熱計(jì)算中的Radiation模塊設(shè)定,福射扣箱及模殼相對(duì)應(yīng)； 完成輻射傳熱分析后，得到模殼及鑄件的溫度分布及傳熱規(guī)律，即溫度場(chǎng)分布圖；根據(jù)溫度分布情況和模型進(jìn)行溫度梯度計(jì)算，得到溫度梯度分布圖；結(jié)合熱應(yīng)力場(chǎng)分布情況、溫度場(chǎng)分布情況及溫度梯度分布情況，進(jìn)行綜合分析，指導(dǎo)鑄型設(shè)計(jì)。
5.如權(quán)利要求4所述的可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，其特征在于，所述的扣箱的移動(dòng)速率一般設(shè)置為鑄件用金屬液的凝固速率。
6.如權(quán)利要求1所述的可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，其特征在于，所述修改鑄型壁厚是利用改變模殼各層的厚度進(jìn)行溫度場(chǎng)的調(diào)控:將模殼沿軸向進(jìn)行分層，分層的層數(shù)N按照每層的厚度h小于凝固速率與時(shí)間的積推算，h=L/N，其中L為鑄型長(zhǎng)，N為分層數(shù)； 然后從第一層啟動(dòng)分析，提取鑄型沿截面方向進(jìn)行溫度和溫度梯度分布，沿等溫線進(jìn)行鑄型厚度修改，加厚區(qū)為散熱較快的區(qū)域，加厚形狀按照厚度加厚外緣平行等溫線的形狀情況進(jìn)行修改，數(shù)量級(jí)取h/10 ； 按照上述操作重復(fù)計(jì)算，修改鑄型壁厚，直到鑄型內(nèi)壁的溫度沿軸向分布，沒(méi)有周向和徑向溫度梯度，提取沿該層溫度梯度分布矢量圖，分布均勻的部位不需修改；累積各層完成鑄型厚度優(yōu)化，再次在ProCAST軟件中進(jìn)行應(yīng)力及一般傳熱分析，校核型殼強(qiáng)度，完成三次鑄型設(shè)計(jì)。
7.如權(quán)利要求1所述的可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，其特征在于，所述根據(jù)定型鑄型設(shè)計(jì)做出相應(yīng)的光固化樹(shù)脂模具為: 光固化樹(shù)脂模具的設(shè)計(jì)在UG軟件中完成，基于定型鑄型，根據(jù)部件的功能和形狀確定澆注位置、設(shè)計(jì)澆冒口 ；并根據(jù)GB/T6414-1999增加鑄造圓角R0.5 I ;光固化樹(shù)脂模具添加燒注外殼，外殼厚I 2mm,并在外殼上添加增強(qiáng)肋片； 在光固化樹(shù)脂模具設(shè)計(jì)后以STL行駛導(dǎo)出，再將STL文件導(dǎo)入Magics軟件中抽殼、添加支撐，導(dǎo)出SLC文件；將SLC文件加載到光固化成型機(jī)RPbuild軟件中，控制光固化成型機(jī)自動(dòng)制備樹(shù)脂件 ； 制備完成后，去除樹(shù)脂件輔助支撐，用酒精清洗樹(shù)脂原型件2 3次，保證殘留液態(tài)樹(shù)脂完全清理干凈。
8.如權(quán)利要求1所述的可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，其特征在于，所述凝膠注模成型采用以下方法進(jìn)行陶瓷漿料的制備: 1)依據(jù)光固化樹(shù)脂模具的容積及陶瓷粉料顆粒的固相含量計(jì)算去離子水的體積，然后依次加入有機(jī)單體、交聯(lián)劑和分散劑，攪拌溶解，用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值為10 11，得到有機(jī)物濃度為20%的預(yù)混液； 2)將陶瓷粉料分批加入預(yù)混液中，加入2 3倍質(zhì)量的磨球，球墨1.5h以上，獲得粘度小于IPa S、固相體積分?jǐn)?shù)為60vol%的陶瓷漿料； 所述的陶瓷粉料包括粒度20 25 ii m的粗顆粒氧化鋁粉體、粒度I 5 ii m的細(xì)顆粒的氧化鋁粉體和氧化鎂礦化劑。
9.如權(quán)利要求1所述的可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，其特征在于，所述的陶瓷鑄型的制備包括: 1)依次將催化劑及引發(fā)劑加入陶瓷漿料，并使其快速均勻分散，接著將樹(shù)脂模具放置于振動(dòng)注漿機(jī)中，振動(dòng)頻率為30Hz 60Hz，注入陶瓷漿料，獲得陶瓷素坯；然后在真空下冷凍干燥，使陶瓷素坯中的水分從固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)； 2)然后將陶瓷素坯脫去樹(shù)脂，脫去樹(shù)脂后預(yù)燒結(jié)，預(yù)燒結(jié)溫度<120(TC;預(yù)燒結(jié)后的陶瓷鑄型內(nèi)部存在一定的灰燼，用壓縮空氣對(duì)陶瓷型殼內(nèi)的殘留灰燼進(jìn)行清理，壓縮空氣壓力小于2Mpa ； 3)最后進(jìn)行終燒結(jié)，燒結(jié)溫度1350°C 1550°C，獲得陶瓷鑄型。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種可控壁厚的定向凝固鑄型的制備方法，首先在三維軟件中設(shè)計(jì)初始鑄型。然后將初始鑄型置于鑄造軟件中完成應(yīng)力計(jì)算，確定最佳鑄型壁厚。然后將二次鑄型置于定向晶生長(zhǎng)的模擬環(huán)境中進(jìn)行輻射傳熱計(jì)算，并分析溫度場(chǎng)分布規(guī)律及熱場(chǎng)變化規(guī)律，改變壁厚給出接近定向凝固生長(zhǎng)溫度梯度規(guī)律的壁厚。重復(fù)輻射傳熱計(jì)算、應(yīng)力校核，修改設(shè)計(jì)，直到確定鑄型的最終三維設(shè)計(jì)?；诳焖俪尚偷奶沾设T型快速制造方法制造出鑄型。該方法解決了在高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)定向凝固過(guò)程中鑄型對(duì)定向晶生長(zhǎng)的影響問(wèn)題，從而可以更容易獲得定向晶葉片，并且獲得質(zhì)量更高的定向晶產(chǎn)品，并一定程度的避免了熱應(yīng)力及其他應(yīng)力所造成的開(kāi)裂、應(yīng)力變形等問(wèn)題。
文檔編號(hào)B22C9/22GK103231025SQ20131013668
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者李滌塵, 廉媛媛, 魯中良 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué), 西安瑞特快速制造工程研究有限公司