本發(fā)明屬于增才制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向單晶高溫合金零件的陶瓷鑄型制備方法。

背景技術(shù)：

高溫合金是當(dāng)前能源動力設(shè)備熱端零部件廣泛采用的材料，其中單晶高溫合金由于具有優(yōu)良的高溫性能而被用于制造高溫下穩(wěn)定工作的零件。復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶高溫合金零件一般采用定向凝固熔模鑄造的工藝進(jìn)行制造。熔模鑄造的陶瓷鑄型制造工藝包括了型芯制造、蠟?zāi)Ｖ圃臁⒔M模、涂掛制殼、化蠟、焙燒等步驟，涉及型芯金屬模具準(zhǔn)備和蠟?zāi)＝饘倌＞邷?zhǔn)備等前期生產(chǎn)準(zhǔn)備工作。該方法由于生產(chǎn)準(zhǔn)備周期及成本等因素，在零件前期設(shè)計迭代過程中，無法做到對研制需求的快速響應(yīng)。

在鑄型材料方面，高溫合金精密鑄造常用的有氧化鋁基、氧化硅基材料。氧化鋁基材料做成型芯存在脫芯困難的問題，而氧化硅基材料則存在與合金熔體界面反應(yīng)的問題。氧化鈣作為一種具有優(yōu)良性能的耐火材料，高溫力學(xué)性能好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；并且，由于與水存在反應(yīng)，如用作型芯材料，則脫除將非常容易，是一種理想的陶瓷鑄型材料。同時也由于存在易水化的問題，氧化鈣水基陶瓷漿料配制存在困難，尚未得到廣泛應(yīng)用。

增材制造技術(shù)是一種融合信息、材料、制造等多學(xué)科發(fā)展起來的先進(jìn)制造技術(shù)，通過材料逐層累加成型實體零件，適合復(fù)雜零件的小批量生產(chǎn)，能夠節(jié)約大量準(zhǔn)備時間及成本。光固化快速成型(stereolithography)是最先得到發(fā)展，精度較高的一種增材制造技術(shù)，通過特定波長的光束逐層掃描液態(tài)光敏樹脂而固化成型樹脂零件。西安交通大學(xué)提出了一種基于光固化快速成型技術(shù)的型芯型殼一體化陶瓷鑄型快速制造方法，該方法首先制備光固化樹脂模具，然后采用陶瓷凝膠注模工藝，經(jīng)冷凍干燥、脫脂、高溫?zé)Y(jié)后，可實現(xiàn)陶瓷鑄型的快速制造。

目前新型的光固化技術(shù)將傳統(tǒng)的點掃描發(fā)展為面曝光，利用led光源、數(shù)字微小反光鏡陣列(dmd)動態(tài)掩模及光學(xué)成像系統(tǒng)，可實現(xiàn)零件整個截面上樹脂的同時固化，大大提高了零件的制備效率。同時，根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，可將特定陶瓷顆粒加入光敏樹脂，制備出樹脂基陶瓷漿料，再通過光固化成型工藝，直接制備陶瓷材料零件。這種新型的光固化快速成型技術(shù)為制備單晶高溫合金零件陶瓷鑄型提供了一種新的技術(shù)途徑。與傳統(tǒng)光固化樹脂模具結(jié)合陶瓷凝膠注模方法制備陶瓷鑄型相比，此方法可大大簡化制備工藝流程，進(jìn)一步加快制備效率，并且無需配制水基陶瓷漿料，對氧化鈣陶瓷材料的成型提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種面向單晶高溫合金零件的陶瓷鑄型制備方法，該方法采用基于面曝光法的光固化快速成型技術(shù)，利用其快速成型復(fù)雜零件時具有的優(yōu)勢，制備整體式氧化鈣陶瓷鑄型，用于單晶高溫合金零件的研制，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明包括以下步驟：

步驟一，根據(jù)需求設(shè)計陶瓷鑄型；

步驟二，配制陶瓷漿料；

步驟三，將步驟一中的陶瓷鑄型三維模型轉(zhuǎn)換為stl格式，按照零件最小特征要求確定分層厚度并進(jìn)行分層切片，分層厚度20μm～100μm，確定成型取向并加支撐處理，得到光固化成型機(jī)用數(shù)據(jù)；使用基于面曝光法的光固化快速成型機(jī)，將步驟二中配制的陶瓷漿料加入成型機(jī)的液槽內(nèi)，進(jìn)行陶瓷鑄型素坯的制備；

步驟四，對陶瓷鑄型素坯進(jìn)行后處理；

步驟五，在高溫?zé)Y(jié)爐中，按照預(yù)定升溫工藝，在1500℃～1700℃溫度范圍完成步驟四中制備的陶瓷鑄型素坯的高溫?zé)Y(jié)，得到面向單晶高溫合金零件陶瓷鑄型。

所述步驟一中，設(shè)計陶瓷鑄型的具體方法如下：

按照鑄造工藝要求確定總體結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、選晶系統(tǒng)、鑄型壁厚的基本參數(shù)；使用三維cad建模軟件進(jìn)行零件陶瓷鑄型建模；使用procast鑄造模擬軟件對澆注溫度、鑄型溫度、抽拉速率條件下陶瓷鑄型應(yīng)力、溫度場、晶體生長進(jìn)行模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果對陶瓷鑄型進(jìn)行設(shè)計迭代；最終得到定向凝固溫度場均勻，并且鑄造缺陷少的陶瓷鑄型結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)，建立陶瓷鑄型三維模型。

所述步驟二中，配制陶瓷漿料的具體方法如下：

將光敏樹脂及分散劑采用機(jī)械攪拌方式均勻混合，攪拌過程中逐漸加入陶瓷粉體及燒結(jié)助劑，最后采用球磨方法使固相分散均勻；

其中，陶瓷粉體的體積分?jǐn)?shù)占陶瓷漿料總體積的40％～60％；燒結(jié)助劑含量為陶瓷粉體質(zhì)量百分比的0.5％～2％；分散劑含量為陶瓷粉體質(zhì)量百分比的0.5％～2％；其余為液態(tài)uv光敏樹脂，均勻混合后真空除氣，得到光敏樹脂基陶瓷漿料。

所述陶瓷粉體主要為氧化鈣，粒徑為0.1μm～100μm，燒結(jié)助劑為納米zro2或者納米y2o3中的一種或兩種按照質(zhì)量比1:1的均勻混合物。

所述步驟四中，對陶瓷鑄型素坯進(jìn)行后處理的具體方法如下：

用工業(yè)酒精清洗步驟三中制備的陶瓷鑄型素坯，置于后處理光固化箱中進(jìn)一步固化3～5h，然后置于干燥箱內(nèi)在40～50℃溫度范圍內(nèi)保溫5～10h使殘留的液態(tài)有機(jī)物揮發(fā)，人工去除支撐并光整內(nèi)腔表面，在高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)600～900℃溫度范圍內(nèi)保溫3～6h脫除有機(jī)物。

所述步驟五中，得到面向單晶高溫合金零件陶瓷鑄型后，對陶瓷鑄型進(jìn)行防水處理。

所述進(jìn)行防水處理的具體方法如下：

將步驟五中制備的陶瓷鑄型置于200～300℃的二氧化碳?xì)夥障渲?，在鑄型表面原位生成致密的碳酸鈣層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用基于面曝光法的新型光固化快速成型技術(shù)來實現(xiàn)單晶高溫合金零件陶瓷鑄型的制備，無需型芯型殼裝配及蠟?zāi)５闹苽浼敖M裝，可直接制備出滿足要求的高精度整體式陶瓷鑄型，大大簡化工藝流程。選晶系統(tǒng)與鑄型為一體成型，避免了傳統(tǒng)熔模鑄造中選晶系統(tǒng)和零件蠟?zāi)＝M裝帶來的異物夾雜或裝配位置不良而產(chǎn)生雜晶缺陷，并且可通過對鑄型結(jié)構(gòu)及壁厚的設(shè)計來實現(xiàn)對高溫合金定向凝固過程的準(zhǔn)確控制，減少鑄造缺陷的產(chǎn)生?，F(xiàn)有的光固化樹脂模具結(jié)合凝膠注模法制備陶瓷鑄型需要通過制備樹脂模具然后再進(jìn)行陶瓷漿料凝膠注模成型，樹脂模具為光斑點掃描成型，制備效率低，并且凝膠注模的水基陶瓷漿料對粘度要求高，澆注入樹脂模具時存在夾氣、充型不完整、漏漿等問題，樹脂模具在后續(xù)工藝中還需人工剝離。而本發(fā)明采用的面曝光法光固化成型，成型效率高，使用光敏樹脂基陶瓷漿料，可直接制得復(fù)雜結(jié)構(gòu)氧化鈣基陶瓷鑄型，用于單晶零件的快速研制。本方法可簡化制備工藝流程，縮短制備周期，并且具有鑄型與高溫合金熔體界面反應(yīng)弱，型芯脫除容易的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為實施例1中零件陶瓷鑄型示意圖；

圖中，1、澆冒口，2、芯型殼連接段，3、零件部分，4、螺旋選晶器，5、底座，6、中央立柱。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

實施例1：

步驟一，設(shè)計陶瓷鑄型；

按照鑄造工藝要求確定鑄型為2個渦輪葉片零件組成模組、葉尖朝下、頂注式澆注結(jié)構(gòu)，采用螺旋選晶器進(jìn)行選晶，螺旋選晶器的主要參數(shù)為：引晶段高度30mm、引晶段直徑17mm、螺旋通道直徑為5mm、螺旋升角為20°、螺徑為14mm，鑄型初始壁厚為7mm；使用ug三維建模軟件進(jìn)行零件陶瓷鑄型建模；使用procast鑄造模擬軟件模擬分析1550℃澆注溫度、1550℃鑄型溫度、3-5mm/min抽拉速率條件下陶瓷鑄型應(yīng)力、溫度場、晶體生長情況，根據(jù)模擬結(jié)果對陶瓷鑄型進(jìn)行設(shè)計迭代；在滿足鑄型強(qiáng)度的情況下采取變壁厚的方法優(yōu)化傳熱特性，最終得到定向凝固溫度場均勻并且鑄造缺陷少的陶瓷鑄型結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)，建立陶瓷鑄型三維模型，示意圖見圖1。

步驟二，配制陶瓷漿料；

將光敏樹脂及分散劑采用機(jī)械攪拌方式均勻混合，攪拌過程中逐漸加入陶瓷粉體及燒結(jié)助劑，最后采用球磨方法使固相分散均勻。其中，陶瓷粉體主要為氧化鈣，采用四級顆粒級配，平均粒徑分別為2μm、5μm、40μm、100μm，陶瓷固相體積分?jǐn)?shù)為60％；燒結(jié)助劑含量為陶瓷粉體的0.5wt.％～2wt.％；分散劑含量為陶瓷粉體的0.5wt.％～2wt.％；其余為液態(tài)uv光敏樹脂。均勻混合后真空除氣，得到光敏樹脂基陶瓷漿料。

步驟三，制備陶瓷鑄型素坯；

將設(shè)計好的陶瓷鑄型三維模型轉(zhuǎn)換為stl格式，使用magics軟件進(jìn)行分層切片，分層厚度50μm，并確定成型取向及加支撐處理，得到光固化成型機(jī)用數(shù)據(jù)；使用基于面曝光法的光固化快速成型機(jī)，將配制好的陶瓷漿料加入成型機(jī)的液槽內(nèi)，進(jìn)行陶瓷鑄型素坯的制備。

步驟四，陶瓷鑄型素坯后處理；

用工業(yè)酒精清洗步驟三制備的陶瓷鑄型素坯，置于后處理光固化箱中進(jìn)一步固化3h，然后置于干燥箱內(nèi)在40℃保溫5h使殘留的液態(tài)有機(jī)物揮發(fā)；人工去除支撐并光整內(nèi)腔表面；在高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)600℃溫度范圍內(nèi)保溫6h，脫除有機(jī)物。

步驟五，高溫?zé)Y(jié)得到陶瓷鑄型；

在高溫?zé)Y(jié)爐中，按照預(yù)定升溫工藝，在1500℃完成步驟四制備的陶瓷鑄型素坯的高溫?zé)Y(jié)，得到用于單晶高溫合金零件精密鑄造的陶瓷鑄型。

步驟六，陶瓷鑄型的防水化處理；

將步驟五制備的陶瓷鑄型置于200℃的二氧化碳?xì)夥障渲校阼T型表面原位生成致密的碳酸鈣層，防止水化。

實施例2：

步驟一，按照鑄造工藝要求確定總體結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、選晶系統(tǒng)、鑄型壁厚的基本參數(shù)；使用三維cad建模軟件進(jìn)行零件陶瓷鑄型建模；使用procast鑄造模擬軟件對澆注溫度、鑄型溫度、抽拉速率條件下陶瓷鑄型應(yīng)力、溫度場、晶體生長進(jìn)行模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果對陶瓷鑄型進(jìn)行設(shè)計迭代；最終得到定向凝固溫度場均勻，并且鑄造缺陷少的陶瓷鑄型結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)，建立陶瓷鑄型三維模型；

步驟二，將光敏樹脂及分散劑采用機(jī)械攪拌方式均勻混合，攪拌過程中逐漸加入陶瓷粉體及燒結(jié)助劑，最后采用球磨方法使固相分散均勻；

其中，陶瓷粉體的體積分?jǐn)?shù)占陶瓷漿料總體積的60％；燒結(jié)助劑含量為陶瓷粉體質(zhì)量百分比的2％；分散劑含量為陶瓷粉體質(zhì)量百分比的2％；其余為液態(tài)uv光敏樹脂，均勻混合后真空除氣，得到光敏樹脂基陶瓷漿料；

步驟三，將步驟一中的陶瓷鑄型三維模型轉(zhuǎn)換為stl格式，按照零件最小特征要求確定分層厚度并進(jìn)行分層切片，分層厚度100μm，確定成型取向并加支撐處理，得到光固化成型機(jī)用數(shù)據(jù)；使用基于面曝光法的光固化快速成型機(jī)，將步驟二中配制的陶瓷漿料加入成型機(jī)的液槽內(nèi)，進(jìn)行陶瓷鑄型素坯的制備；

步驟四，對陶瓷鑄型素坯進(jìn)行后處理，用工業(yè)酒精清洗步驟三中制備的陶瓷鑄型素坯，置于后處理光固化箱中進(jìn)一步固化5h，然后置于干燥箱內(nèi)在50℃內(nèi)保溫10h使殘留的液態(tài)有機(jī)物揮發(fā)，人工去除支撐并光整內(nèi)腔表面，在高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)900℃溫度范圍內(nèi)保溫3h脫除有機(jī)物；

步驟五，在高溫?zé)Y(jié)爐中，按照預(yù)定升溫工藝，在1700℃完成步驟四中制備的陶瓷鑄型素坯的高溫?zé)Y(jié)，得到面向單晶高溫合金零件陶瓷鑄型，將陶瓷鑄型置于300℃的二氧化碳?xì)夥障渲?，在鑄型表面原位生成致密的碳酸鈣層。

陶瓷粉體主要為氧化鈣，粒徑為0.1μm、5μm、40μm、100μm級配混合粉體。

實施例3：

步驟一，按照鑄造工藝要求確定總體結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、選晶系統(tǒng)、鑄型壁厚的基本參數(shù)；使用三維cad建模軟件進(jìn)行零件陶瓷鑄型建模；使用procast鑄造模擬軟件對澆注溫度、鑄型溫度、抽拉速率條件下陶瓷鑄型應(yīng)力、溫度場、晶體生長進(jìn)行模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果對陶瓷鑄型進(jìn)行設(shè)計迭代；最終得到定向凝固溫度場均勻，并且鑄造缺陷少的陶瓷鑄型結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)，建立陶瓷鑄型三維模型；

步驟二，將光敏樹脂及分散劑采用機(jī)械攪拌方式均勻混合，攪拌過程中逐漸加入陶瓷粉體及燒結(jié)助劑，最后采用球磨方法使固相分散均勻；

其中，陶瓷粉體的體積分?jǐn)?shù)占陶瓷漿料總體積的50％；燒結(jié)助劑含量為陶瓷粉體質(zhì)量百分比的1.3％；分散劑含量為陶瓷粉體質(zhì)量百分比的1.3％；其余為液態(tài)uv光敏樹脂，均勻混合后真空除氣，得到光敏樹脂基陶瓷漿料；

步驟三，將步驟一中的陶瓷鑄型三維模型轉(zhuǎn)換為stl格式，按照零件最小特征要求確定分層厚度并進(jìn)行分層切片，分層厚度60μm，確定成型取向并加支撐處理，得到光固化成型機(jī)用數(shù)據(jù)；使用基于面曝光法的光固化快速成型機(jī)，將步驟二中配制的陶瓷漿料加入成型機(jī)的液槽內(nèi)，進(jìn)行陶瓷鑄型素坯的制備；

步驟四，對陶瓷鑄型素坯進(jìn)行后處理，用工業(yè)酒精清洗步驟三中制備的陶瓷鑄型素坯，置于后處理光固化箱中進(jìn)一步固化4h，然后置于干燥箱內(nèi)在45℃溫度范圍內(nèi)保溫7h使殘留的液態(tài)有機(jī)物揮發(fā)，人工去除支撐并光整內(nèi)腔表面，在高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)650℃溫度范圍內(nèi)保溫5h脫除有機(jī)物；

步驟五，在高溫?zé)Y(jié)爐中，按照預(yù)定升溫工藝，在1600℃完成步驟四中制備的陶瓷鑄型素坯的高溫?zé)Y(jié)，得到面向單晶高溫合金零件陶瓷鑄型，將陶瓷鑄型置于250℃的二氧化碳?xì)夥障渲校阼T型表面原位生成致密的碳酸鈣層。

陶瓷粉體主要為氧化鈣，粒徑為2μm、5μm、40μm級配混合粉體。

實施例4：

步驟一，按照鑄造工藝要求確定總體結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、選晶系統(tǒng)、鑄型壁厚的基本參數(shù)；使用三維cad建模軟件進(jìn)行零件陶瓷鑄型建模；使用procast鑄造模擬軟件對澆注溫度、鑄型溫度、抽拉速率條件下陶瓷鑄型應(yīng)力、溫度場、晶體生長進(jìn)行模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果對陶瓷鑄型進(jìn)行設(shè)計迭代；最終得到定向凝固溫度場均勻，并且鑄造缺陷少的陶瓷鑄型結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)，建立陶瓷鑄型三維模型；

步驟二，將光敏樹脂及分散劑采用機(jī)械攪拌方式均勻混合，攪拌過程中逐漸加入陶瓷粉體及燒結(jié)助劑，最后采用球磨方法使固相分散均勻；

其中，陶瓷粉體的體積分?jǐn)?shù)占陶瓷漿料總體積的40％；燒結(jié)助劑含量為陶瓷粉體質(zhì)量百分比的0.5％；分散劑含量為陶瓷粉體質(zhì)量百分比的0.5％；其余為液態(tài)uv光敏樹脂，均勻混合后真空除氣，得到光敏樹脂基陶瓷漿料；

步驟三，將步驟一中的陶瓷鑄型三維模型轉(zhuǎn)換為stl格式，按照零件最小特征要求確定分層厚度并進(jìn)行分層切片，分層厚度20μm，確定成型取向并加支撐處理，得到光固化成型機(jī)用數(shù)據(jù)；使用基于面曝光法的光固化快速成型機(jī)，將步驟二中配制的陶瓷漿料加入成型機(jī)的液槽內(nèi)，進(jìn)行陶瓷鑄型素坯的制備；

步驟四，對陶瓷鑄型素坯進(jìn)行后處理，用工業(yè)酒精清洗步驟三中制備的陶瓷鑄型素坯，置于后處理光固化箱中進(jìn)一步固化3h，然后置于干燥箱內(nèi)在40℃溫度范圍內(nèi)保溫5h使殘留的液態(tài)有機(jī)物揮發(fā)，人工去除支撐并光整內(nèi)腔表面，在高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)600℃保溫3h脫除有機(jī)物；

步驟五，在高溫?zé)Y(jié)爐中，按照預(yù)定升溫工藝，在1500℃完成步驟四中制備的陶瓷鑄型素坯的高溫?zé)Y(jié)，得到面向單晶高溫合金零件陶瓷鑄型，將陶瓷鑄型置于200℃的二氧化碳?xì)夥障渲?，在鑄型表面原位生成致密的碳酸鈣層。

陶瓷粉體主要為氧化鈣，粒徑為0.1μm、5μm、40μm級配混合粉體。