基于光固化陶瓷型芯制备单晶叶片内腔再结晶的控制方法

技术领域

本发明涉及航空发动机、燃气轮机单晶叶片的制造技术领域，特别涉及一种基于光固化陶瓷型芯制备单晶叶片内腔再结晶的控制方法。

背景技术

高温合金涡轮单晶叶片被誉为工业技术皇冠上的明珠，再结晶控制技术是单晶叶片研制的关键技术之一。

随着航空发动机性能的不断提高，单晶叶片外型及内腔的结构设计愈加复杂，给单晶叶片的制造提出了更高技术难度。单晶叶片再结晶是由于铸造应力驱动作用下，在随后的高温热处理过程中形成的。再结晶一般发生在结构尺寸突变区域，在定向凝固过程中形成的应力集中部位。针对叶片表面再结晶可以采取增大转接圆角等结构优化方式进行控制，然而，由于叶片内腔结构复杂以及后续难以处理，增大转接圆角对于叶片的内腔再结晶适用性不大。因此，单晶叶片内腔再结晶的控制手段非常有限。

再结晶的形成与叶片结构、热处理温度以及型芯型壳的退让性关系密切，针对叶片内腔再结晶的控制，增大型芯退让性是非常有效的技术方法。型芯的综合使用性能包括高温挠度、高温强度、室温强度及退让性等，传统模具压注型芯通过工艺控制退让性，虽然通过粒度集配、矿化剂添加剂及焙烧工艺方式来增大孔隙率，进而实现增大退让性的目的。但是，增大退让性的同时型芯的高温强度将受到影响。因此，通过型芯整体性能的调控，退让性的增大将致使高温强度随之降低，这两个相互矛盾的指标很大程度限制了对内腔再结晶控制能力，为此，本申请提供了一种基于光固化陶瓷型芯制备单晶叶片内腔再结晶的控制方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于光固化陶瓷型芯制备单晶叶片内腔再结晶的控制方法，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：基于光固化陶瓷型芯制备单晶叶片内腔再结晶的控制方法，包括如下步骤：

S1、定向凝固：叶片从选晶器的螺旋开始，叶片沿凝固方向R自下而上进行；

S2、型芯设计：叶片型壁与内腔隔板相连接，在内腔隔板上发生再结晶，再结晶的下方型芯和上方型芯均设置局部空心结构；

S3、制备型芯：采用光固化陶瓷3D打印技术制备型芯。

优选的，所述型芯为氧化铝或氧化硅的陶瓷材料。

优选的，所述下方型芯的空心结构的区域范围大于再结晶尺寸。

优选的，所述上方型芯的空心结构的区域范围大于再结晶尺寸的一半。

优选的，所述空心结构为蜂巢结构、四面体结构、六面体结构或圆球结构的其中一种。

优选的，所述空心结构的单元尺寸跨度为0.3-10mm。

与传统技术相比，本发明产生的有益效果是：本发明利用光固化陶瓷3D打印无模具约束成型的特点，保障了型芯的高温强度，使得单晶叶片在定向凝固过程中，保证了叶片内腔的完整成型；通过设计型芯局部空心结构，增大了型芯的退让性，避免了内腔隔板收缩过程受阻而形成铸造应力集中，热处理之后不会发生再结晶，可消除单晶叶片内腔再结晶，从而获得完整单晶体的叶片，实现了单晶叶片内腔再结晶的有效控制；对单晶叶片晶体缺陷控制和熔模精密铸造技术的发展拓新了思路和途径。

附图说明

图1为本发明中单晶叶片内腔再结晶及光固化陶瓷型芯局部空心结构示意图。

图中：1、选晶器的螺旋；2、叶片型壁；3a、下方型芯；3b、上方型芯；4、内腔隔板；5、再结晶；6a、下方型芯的空心结构；6b、上方型芯的空心结构；R、凝固方向。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种基于光固化陶瓷型芯制备单晶叶片内腔再结晶的控制方法，包括如下步骤：

S1、定向凝固：叶片从选晶器的螺旋1开始，叶片沿凝固方向R自下而上进行；

S2、型芯设计：叶片型壁2与内腔隔板4相连接，在内腔隔板4上发生再结晶5，再结晶5的下方型芯3a和上方型芯3b均设置局部空心结构；

S3、制备型芯：采用光固化陶瓷3D打印技术制备型芯，型芯材料为以氧化铝或氧化硅为主体的陶瓷材料。

下方型芯的空心结构6a是再结晶的重点区域，下方型芯的空心结构6a的区域范围大于再结晶5尺寸。上方型芯的空心结构6b的区域范围大于再结晶5尺寸的一半。

上方型芯的空心结构6b和下方型芯的空心结构6a为蜂巢结构、四面体结构、六面体结构或圆球结构的其中一种，在本例中，空心结构优选为蜂巢结构，并且空心结构的单元尺寸跨度为0.3-10mm。

随着光固化陶瓷增材制造技术发展，光固化型芯可以满足单晶叶片浇注的使用性能。通过粒度集配、矿化剂添加及焙烧工艺控制，满足型芯的高温强度要求。同时由于无模具约束成型的特点，可局部设计为空心结构的型芯，增大陶瓷型芯的退让性，进而既满足型芯的高温强度，又增大了型芯的退让性，解决了单晶叶片内腔再结晶难题。

其工作原理为：光固化陶瓷型芯可以通过工艺控制实现高温强度要求，从而利用光固化陶瓷3D打印无模具约束成型的特点，保障了型芯的高温强度，使得单晶叶片在定向凝固过程中，保证了叶片内腔的完整成型；通过设计型芯局部空心结构，增大了型芯的退让性，避免了内腔隔板收缩过程受阻而形成铸造应力集中，热处理之后不会发生再结晶，可消除单晶叶片内腔再结晶，从而获得完整单晶体的叶片，实现了单晶叶片内腔再结晶的有效控制；对单晶叶片晶体缺陷控制和熔模精密铸造技术的发展拓新了思路和途径。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。