[发明专利]一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，涉及单晶涡轮叶片加工方法，具体涉及一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法。

背景技术

单晶涡轮叶片是航空发动机及工业燃气轮机的重要结构部件，在单晶叶片定向凝固生产过程中，杂晶缺陷常出现于单晶叶片叶身、缘板和榫头等位置。单晶叶片陶瓷型壳是高温金属液凝固成型的“容器”。在凝固过程中，定向凝固炉主要与型壳发生热交换，型壳进一步与内部金属发生热交换，该过程形成了叶片温度场分布，最终影响叶片凝固过程。例如，缘板位置的温度场分布不均匀将最终导致杂晶缺陷产生。

工程上关于单晶叶片陶瓷型壳结构改动较少，其成型过程主要依赖在蜡模零件上反复涂挂浆料，形成一层陶瓷壳层，并通过烧结工艺最终成型。目前的型壳结构基本由工艺方案决定，其主要是对零件结构的等壁厚外延，无法实现对型壳局部位置的结构改进。而有些采用上述方法制造的型壳不利于保持均匀水平的定向凝固温度场。定向凝固过程中，型壳与铸件温度场分布影响因素众多，对型壳结构改进的相关方法和理论较少，因此，国内外尚无对型壳局部结构改进来控制涡轮叶片晶体生长过程的方法。因此，从温度控制与缺陷规避角度来讲，型壳结构局部改进，确保定向凝固温度场均匀、水平，是亟待研究解决的有效的工艺优化方法。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，该方法采用数值模拟结合型壳型芯一体化制造技术，通过分析凝固过程的温度场，对叶片局部温度下降较快位置进行加厚修正，因而能够保持温度场水平，有效避免了杂晶缺陷的产生。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于模拟的单晶叶片型壳局部加厚控制杂晶缺陷的方法，包括以下步骤：

1)在待测单晶叶片型壳上布置至少5个测温点，根据模拟用的基本参数，通过计算机数值模拟软件测试分析得到各个测温点的模拟温度数据；其中，所述模拟用的基本参数包括抽拉速度、热传导系数、辐射换热系数、比热、潜热、密度及固/液相线温度；

利用计算机数值模拟软件分析待测单晶叶片型壳的三维模型，用正六面体单元进行离散化分析，得到叶片型壳三维离散化数据；

2)在与步骤1)所述的基本参数条件相同的情况下，通过实际浇注实验实时测定各个测温点的实际温度数据；

3)将步骤1)数值模拟得到的各个测温点的数据与步骤2)实时测得的同一时刻条件下的实际温度数据进行对比分析，若有任意一个测温点的相对温度误差大于10％，则需要增加或减小热传导系数和辐射换热系数值10％，然后将该数值作为新的基本参数；

4)重复进行步骤1)～3)，直至在所有时刻下，数值模拟得到的所有测温点数据与实际测得的同一时刻的实际温度数据相比，相对温度误差都不大于10％为止，获得最终的用于模拟计算的基本参数；

5)通过步骤1)得到的叶片型壳三维离散化数据和步骤4)得到的最终的用于模拟计算的基本参数，计算出待测单晶叶片型壳不同时刻的凝固温度场，分析温度局部过冷孤立域是否存在，若存在，对温度局部过冷区域的叶片型壳底层和侧壁外层进行加厚处理，然后重复步骤1)～5)，直至不存在温度局部过冷孤立域；当不存在温度局部过冷孤立域时，则保存修正后的型壳结构文件数据；

6)根据修正后的型壳结构文件数据，采用光固化成型设备生产单晶叶片树脂模型，将配制的陶瓷浆料浇入至单晶叶片树脂模型中，然后对凝固实体进行冷冻干燥、预烧脱脂及浸渍终烧工序，获得陶瓷型壳实体；

7)将获得的陶瓷型壳实体置入真空定向凝固浇注炉中，采用多叶片组模，进行单晶定向凝固浇注，获得无杂晶缺陷的单晶叶片零件。

在待测单晶叶片型壳的引晶段、螺旋段、叶身、缘板及榫头处布置测温点。

所述实际浇注实验是在定向凝固炉中采用钨/铼热电偶实时测定各个测温点的实际温度数据。

所述相对温度误差为模拟温度数据与实际温度数据之差的绝对值与实际温度数据之比。

所述的温度局部过冷孤立域为凝固过程中温度低于液相温度但周围不与固相单元相邻的单元集合区域；所述的固相单元是指温度低于固相线温度的单元。

所述加厚处理是将温度局部过冷孤立域的型壳底层和型壳侧壁外层逐层加厚，且每次加厚的厚度为单层网格单元厚度。