[发明专利]基于3D打印的空心涡轮叶片陶瓷铸型及其精度控制方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于3D打印的空心涡轮叶片陶瓷铸型及其精度控制方法和应用，所述空心涡轮叶片陶瓷铸型基于光固化技术和凝胶注模技术制成；其中，铸型叶身部位的壁厚为5～8mm；或者，铸型叶身部位的外壁面设置有肋状结构；或者，铸型的前缘部、尾缘部的壁厚厚度与其余部的壁厚厚度之比为(5～8)：4。本发明能够解决传统的熔模铸造模壳的结构不可控，烧结后模壳内型面精度较差的问题，可提高铸型叶身内型面精度；用于生产时可保证叶片型面精度，大大提高空心涡轮叶片的合格率和制造效率。

技术领域

本发明属于基于光固化成型技术的快速铸造技术领域，特别涉及一种基于3D打印的空心涡轮叶片陶瓷铸型及其精度控制方法和应用。

背景技术

航空发动机和燃气轮机的主要机件是涡轮，作为发动机的关键部件之一，涡轮叶片的形状和尺寸会直接影响到发动机的工作性能。受材料及结构限制，空心涡轮叶片通常采用熔模精密铸造工艺成型，其成型精度偏低、废品率极高，一直是困扰高性能航空发动机和燃气轮机研制的难题。

对空心涡轮叶片检测分析发现，叶片不合格的因素主要包括性能不达标、尺寸超差再结晶和铸造缺陷等；其中，叶片型面和壁厚尺寸超差约占50％左右。由此可见：涡轮叶片形状精度控制已经成为影响航空发动机和燃气轮机研制的主要技术难题之一。目前，外形轮廓精度与壁厚精度是空心涡轮叶片形状精度评估的两个基本指标，外型面尺寸精度决定了涡轮叶片是否满足气动设计，因此，在空心涡轮叶片制备过程中，必须严格控制叶片外型面精度。

为了控制空心涡轮叶片外型面的精度，需要严格控制浇注前铸型内型面的精度。传统熔模铸造方法中，模壳的制造主要采用多次涂挂的方法，制作出的模壳外形不可控，经过失蜡、烧结等工艺后，铸型内型面精度较差且不可控。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于3D打印的空心涡轮叶片陶瓷铸型及其精度控制方法和应用，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明能够解决传统的熔模铸造模壳的结构不可控，烧结后模壳内型面精度较差的问题，可提高铸型的内型面精度；用于生产时可保证叶片型面精度，大大提高空心涡轮叶片的合格率和制造效率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种基于3D打印的空心涡轮叶片陶瓷铸型，所述空心涡轮叶片陶瓷铸型基于光固化技术和凝胶注模技术制成；其中，铸型叶身部位的壁厚为5～8mm；或者，铸型叶身部位的外壁面设置有肋状结构；或者，铸型的前缘部位、尾缘部位的壁厚厚度与其余部位的壁厚厚度之比为(5～8)：4。

本发明的进一步改进在于，所述肋状结构为叶盆肋、叶背肋或全肋结构。

本发明的进一步改进在于，肋状结构的肋厚度与铸型的壁厚度之比为1：(4～1)；肋状结构的肋间距与铸型的叶身高度之比为1：(5～2)；肋状结构的肋高度为与铸型的叶身高度之比为1：(10～4)。

本发明的进一步改进在于，所述空心涡轮叶片陶瓷铸型的铸型叶身部位的内型面最大弦长范围为30～120mm。

本发明的一种基于3D打印的空心涡轮叶片陶瓷铸型的精度控制方法，包括以下步骤：

获取终烧后铸型叶身部位的内型面变形规律；

基于获得的变形规律，对铸型进行变刚度结构设计并成型一体化树脂模具原型；

基于所述一体化树脂模具原型，通过凝胶注模法获得空心涡轮叶片陶瓷铸型。

本发明的进一步改进在于，还包括：

获取制备得到的空心涡轮叶片陶瓷铸型的终烧后偏差统计，分析内型面偏差是否满足预设阈值要求，若满足要求，则得到最终铸型；若不满足要求，则再次对铸型进行变刚度结构设计并成型一体化树脂模具原型，基于再次得到的一体化树脂模具原型，通过凝胶注模法获得空心涡轮叶片陶瓷铸型。