一種帶氣膜孔渦輪葉片的制造方法與流程

本發明涉及渦輪葉片生產制造領域，具體涉及一種帶氣膜孔渦輪葉片的制造方法。

背景技術：

渦輪葉片作為動力設備的核心部件，廣泛應用于航空、家電以及各種工業用途。其結構與材料的不斷改進是人類提高能源利用率、獲得高性能裝備(發電設備)和產品(如飛機)的關鍵。工作時，它不僅被經常變化的高溫燃氣所包圍，還承受著高速旋轉產生的巨大離心力、氣體力和振動負荷等。此外，它還要經受高溫燃氣引起的腐蝕和浸蝕，因而渦輪工作葉片的工作環境十分惡劣。由于其處于溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位，所以葉片被列為第一關鍵件，并被譽為“王冠上的明珠”。

因此，渦輪葉片的加工技術是近20年來國內外關注的重大技術問題之一。其中渦輪葉片的性能水平(特別是承溫能力)成為熱動力設備先進程度的重要標志，從某種意義上講，也是制造技術水平的重要標志之一。隨著葉片結構設計的日趨復雜和對材料熱性能要求的提高，傳統的葉片制造工藝受到材料與制造技術的制約，已難以滿足新型葉片的制造要求。隨著渦輪進口燃氣溫度的提高,發動機的單位功率也在迅速增加。渦輪葉片承溫能力主要依賴于氣膜孔，傳統的氣膜孔加工開發周期長、成本高；工藝過程復雜，控制難度大，不利于產品的更新換代；難以實現空間交錯的空心葉片的制造；型芯型殼分開成形，裝配時易產生定位誤差，葉片易穿孔，成品率低。

技術實現要素：

本發明的目的就是提供一種帶氣膜孔渦輪葉片的制造方法，其可有效解決上述問題，解決渦輪葉片中存在的加工精度較低、加工周期長成本較高等問題。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案:

一種帶氣膜孔渦輪葉片的制造方法，其特征在于:包括如下操作:

s1:構建渦輪葉片的三維模型；

s2:打印渦輪葉片的樹脂實體；

s3:鑄造渦輪葉片試件。

進一步的方案為:

操作s1中:通過光柵三維掃描儀對葉片進行掃描，然后利用ug軟件對掃描的圖形進行處理得到相應的渦輪葉片的三維模型。

詳細的操作為:

s11:根據視場范圍確定標定距離，選取焦距為420mm；鏡頭選擇200的視場范圍；調整投影條紋，將條紋切換到23，然后轉動鏡頭的焦距調整投影光圈，使投影出清晰的光；

s12:調整左右相機的角度，使相機中線與投影中線重合；調整兩相機的采集灰度值為100-200之間，使得兩相機保持一致，同時保證條紋清晰；對相機進行標定，標定參數時參數需要對應，并且根據選擇的視場選擇適當的標定塊，將標定塊放置穩定、直立；再打開cpc控制軟件和“winmore”觀察cpc控制物件里的預覽，使標定塊中兩個豎直白點重合，然后進行試拍，確保可以掃到點向數據；最后，進行對葉片的掃描；

s13:對掃描后的圖形進行后處理，將“文件選項”的“采樣比率”設置為1/4；采用自動除噪中的“非連接”項，將“分隔”設置為“低”，“尺寸”設置為“5”；用“體外孤點”項將“敏感度”設為80；選擇“自由曲面形狀”設“平滑級別”為第三檔，偏差限制一般取0.2mm；

s14:將得到的渦輪葉片基礎模型導入ug中，對模型進行修復完善，確定好氣膜孔的位置，得到最終含氣膜孔的渦輪葉片三維模型。

操作s2中:將渦輪葉片的三維模型通過激光快速成型機快速打印出渦輪葉片的樹脂實體。

具體的操作如下:

s21:渦輪葉片模型cad優化設計階段

s211:確定光敏樹脂在快速成型時的收縮率，結合渦輪葉片鑄造材料，確定熔模鑄造過程中材料的收縮率，最后根據這兩個收縮率在ug軟件中對葉片的三維模型進行放大；

s212:將葉片的三維模型在ug中導出為“stl”格式文件；

s22:快速打印前處理階段

s221:將導出的“stl”文件導入快速成型技術的前處理軟件cura；

s222:根據所使用的快速成型打印機，在cura軟件中添加相應的機器并對機器參數進行設定；

s223:在cura中建立打印機加工文件的開始和結束代碼，并進行保存；

s224:在cura中設置打印的支撐及分層參數、支撐參數、激光功率、掃描參數和涂層參數；

s225:利用cura軟件進行自動分層，同時將分層完成的文件保存并轉化為打印機可以識別的文件類型；

s23:快速成型打印自由成形階段

s231:將轉換好的文件導入光固化打印機的控制計算機中；

s232:控制計算機根據導入的文件自動生成控制指令對渦輪葉片模型進行快速打印；

s24:快速打印后處理階段

s241:用酒精溶液進行清洗同時去除模型的支撐；

s242:用水砂紙進行打磨并最后將模型放入固化箱并進行固化。

操作s3中:將打印好的樹脂實體通過熔模精鑄工藝得到渦輪葉片試件。

詳細的步驟為:

s31:將打印好的模具用適當的溶劑進行清洗，將模具表面的雜質、蠟垢等清洗干凈并晾制干燥；選用水溶性并且熔點較高的脫模劑對打印好的渦輪葉片樹脂實體的氣膜孔進行反復噴涂3-5次，每次間隔約10-20分鐘，最后一層噴涂后將模具靜置一個小時；

s32:選取熔點較高的金屬絲，先用適當的溶劑對金屬絲表面進行清洗，將金屬絲表面的雜質清洗干凈；然后使用熔點較高的脫模劑對金屬絲表面進行反復噴涂3-5次，每次間隔約10-20分鐘，最后一層噴涂后將模具靜置一個小時，將噴涂好的金屬絲放置在氣膜孔內，使得涂有脫模劑的部分放置在氣膜孔內，并超出氣膜孔10mm；

s33:將中溫蠟放入不銹鋼或鋁制容器中隔水加熱使其變為熔融狀態；其次將熔融狀態的蠟靜置在桶中，待其溫度降到65℃左右時將其倒入攪蠟機中進行強力攪拌使其成均勻的膏狀；將蠟膏放在保溫桶中，溫度控制在56-58℃；將渦輪葉片模具表面清理干凈并涂上一層脫模劑；

s34:將澆道模具放在氣動蠟模壓注機上，并將澆道模具的注蠟口與壓注機射蠟的噴嘴對正；打開澆道模具并對模具內壁噴薄薄的一層分型劑，放螺帽，合上模具；通過壓注機將蠟壓注到模具中，壓注完成后抽出芯子，打開模具取出澆道的模型，最后清理模具上的殘留磨料，將合上磨具進行下一次壓制；

s35:對渦輪葉片以及各澆道蠟模的尺寸進行檢查，對有尺寸問題的蠟模進行剔除，對尺寸合格的蠟模進行表面修整；用烙鐵將直澆道的一端與澆口杯加熱焊接在一起，將直澆道的另一端與橫澆道用烙鐵加熱焊接在一起，再將多個內澆道焊接在橫澆道上；通過給橫澆道焊接多個內澆道從而組成模組可以實現對帶氣膜孔的渦輪葉片的快速鑄造；

s36:將模型以30°左右的傾斜角度緩慢的浸入涂料漿中約3～4秒，再以稍快速度取出模組并進行翻轉；將均勻涂層的模組伸入浮砂桶內進行敷砂，讓全部表面覆上一層莫來砂，并將模組放置12小時進行干燥使第二層型殼固化；重復操作5次，完成制殼過程；

s37:將上述制好殼的模型放入到脫蠟蒸汽釜中保持160℃溫度，進行20分鐘左右的脫蠟；對脫完蠟的模型進行檢查，對裂紋<0.5mm的可進行修補，出現成片脫落或、裂的或者裂紋>0.5mm的情況進行報廢處理；

s38:將脫完蠟的模型放入高溫焙燒爐里加熱到900℃-1100℃之間，焙燒40-50分鐘左右，燒好的型殼為白色或薔薇色；再將熔融的鋼液通過各型殼的澆注口澆入到各型殼中，澆鑄完成后靜置其冷卻；

s39:將冷卻后的渦輪葉片鑄件先通過震動脫殼機去除型殼；再通過火焰切割機將澆注系統上的渦輪葉片與澆注系統進行切割分離；在水中進行浸泡并用高壓水槍進行沖洗使氣膜孔與鎢絲之間的脫模劑完全溶解，抽出鎢絲，最后對渦輪葉片制件進行噴砂處理，得到最終的渦輪葉片。

上述技術方案中提供了一種帶氣膜孔的渦輪葉片的快速制造方法，首先采用通過ug軟件建立出渦輪葉片的三維模型；再采用激光快速成形機快速打印出渦輪葉片的實體；最后通過熔模精密鑄造鑄造出渦輪葉片的金屬實體。該方法將激光快速成型技術與熔模精密鑄造技術相結合，不僅可以實現從渦輪葉片三維設計模型到渦輪葉片鋼制實體的快速轉化，同時加工完的渦輪葉片精度高、成本低，與現有技術相比，具有以下優勢:

1、可以成型任意復雜的、具有空間交錯特征的葉片內腔，整體式陶瓷鑄型，型芯型殼使用相同的材料，同時成型，無需組合裝配。

2、無需設計制作型芯壓制模具和蠟模模具，快速開發，簡化工藝，降低成本，不受模具、夾具限制，易于更新換代。

3、型芯型殼一次成形，減少了制殼時間,可以直接成型氣膜孔，并成型異形氣膜孔。

附圖說明

圖1為本發明的流程示意圖；

圖2為通過光柵掃描和ug軟件得到的含氣膜孔渦輪葉片三維模型圖；

圖3為快速成型技術的工藝流程。

具體實施方式

為了使本發明的目的及優點更加清楚明白，以下結合實施例對本發明進行具體說明。應當理解，以下文字僅僅用以描述本發明的一種或幾種具體的實施方式，并不對本發明具體請求的保護范圍進行嚴格限定。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發明實施例的帶氣膜孔的渦輪葉片的快速制造方法包括以下步驟:

s1:利用光柵掃描儀對含有氣膜孔的渦輪葉片進行掃描:利用光柵三維掃描儀對含氣膜孔的渦輪葉片實體進行掃描。首先，對掃描儀進行前處理，先確定標定距離、選擇鏡頭、調整相機角度等數據進行調整，然后進行掃描，掃描完成后對電腦內的模型進行后處理以及利用ug軟件對模型進行完善，得到含氣膜孔的渦輪葉片的模型。

s2:對建好的渦輪葉片的模型進行快速成型:根據快速成型打印技術的特點及所用的材料，本發明選用sla成型技術，成型材料為光敏樹脂。首先在ug中，根據上述建立好的渦輪葉片三維模型的尺寸建立相應的模型，再通過布爾求差運算得到相應的渦輪葉片三維模型。再對渦輪葉片三維模型進行分層處理，并將所得到的層片信息與打印的工藝參數相合，通過打印機的數字接口轉化為打印機的數控代碼；最后打印機根據數控代碼進行層片加工、層片堆積最終成形出帶氣膜孔的渦輪葉片實體。

s3:對帶氣膜孔的渦輪葉片進行熔模精鑄:渦輪葉片前緣、葉身等部位設計了大量的氣膜孔，孔徑一般在0.2-0.8mm，空間角度復雜，加工難度高。熔模鑄造過程中，將打印好的模具用適當的溶劑進行清洗(如丙酮)，將模具表面的雜質、蠟垢等清洗干凈，并晾制干燥；選用水溶性并且熔點較高的脫模劑(如肯天pmr)，對打印好的渦輪葉片樹脂實體的氣膜孔進行反復噴涂3—5次，每次間隔約10—20分鐘，最后一層噴涂后將模具靜置一個小時；選取熔點較高的金屬絲(如鎢絲)，先用適當的溶劑對鎢絲表面進行清洗(如丙酮)，將鎢絲表面的雜志清洗干凈；然后使用熔點較高的脫模劑(如肯天pmr)對金屬絲表面進行反復噴涂3—5次，每次間隔約10—20分鐘，最后一層噴涂后將模具靜置一個小時，將噴涂好的金屬絲放置在氣膜孔內，使得涂有脫模劑的部分放置在氣膜孔內，并超出氣膜孔10mm；然后將樹脂模型粘制蠟澆注系統制成蠟模，再將蠟模浸入陶瓷砂液中形成模殼，晾干后進行焙燒脫去蠟模形成陶模，通過澆注口澆注鋼熔液形成渦輪葉片的高溫鑄件。再對渦輪葉片的鋼制實體先后進行滲碳、淬火、回火、噴砂的后處理使渦輪葉片達到硬度要求并提高其延展性能。最后用水進行浸泡，抽出金屬絲。最終得到完整的渦輪葉片實體。

下面結合附圖對本發明的工作原理作進一步的描述。

本發明實施例的面向帶氣膜孔的渦輪葉片的快速制造方法包括以下步驟:

1、建立帶氣膜孔的渦輪葉片的數學模型

(1)前處理:首先根據視場范圍確定標定距離，選取焦距為420mm；鏡頭選擇200的視場范圍；調整投影條紋，將條紋切換到23，然后轉動鏡頭的焦距調整投影光圈，使投影出清晰的光。

(2)掃描:調整左右相機的角度，是相機中線與投影中線重合；調整兩相機的采集灰度值為100-200之間，使得兩相機調整到基本一致，同時保證條紋清晰。對相機進行標定，標定參數時參數需要對應，并且根據選擇的視場選擇適當的標定塊，將標定塊放置穩定、直立；再打開cpc控制軟件和“winmore”觀察cpc控制物件里的預覽，使標定塊中兩個豎直白點重合。然后進行試拍，確保可以掃到點向數據；最后，進行對葉片的掃描。

(3)后處理:對掃描后的圖形進行后處理，為了提高計算機的速度將“文件選項”的“采樣比率”設置為1/4；采用自動除噪中的“非連接”項，將“分隔”設置為“低”，“尺寸”設置為“5”；為了將偏離主點云的散點進行去除，用“體外孤點”項將“敏感度”設為80；為了將噪音點降到最低，能更好地表現相關物體的形狀，選擇“自由曲面形狀”設“平滑級別”為第三檔，偏差限制一般取0.2mm。

(4)將得到的渦輪葉片基礎模型導入ug中，對模型進行修復完善，確定好氣膜孔的位置，得到最終含氣膜孔的渦輪葉片三維模型。

2、對渦輪葉片的模型進行快速成型具體包括:

(1)由于采用液態光敏樹脂為材料進行3d打印時，光敏樹脂在固化過程中模型會收縮且收縮率為4％；熔模精鑄也涉及到2個收縮率，一個是采用中溫蠟為材料制作蠟模時的收縮率為0.9％-1.3％，另一個是采用45號鋼澆注鋼制件時的收縮率為1.3％-2.0％；結合實際情況確定各階段的收縮率，并得到模型的總收縮率。再通過ug的“縮放體”命令對直齒面齒輪的母模三維模型按照總收縮率進行整體放大；

(2)將渦輪葉片的三維模型在ug中進行“文件”→“導出”→“stl”操作；在彈出的“快速成型”菜單中設置輸出類型為“二進制”，“三角公差”及“相鄰公差”設置為0.08，選擇“自動法向生成”；在彈出的“類選擇”菜單中選擇直齒面齒輪的母模模型作為“選擇對象”，其余的設置保持默認，完成模型的“stl”格式導出；

(3)打開3d打印的前處理軟件cura，將“stl”模型文件導入到cura中；在“配置向導”界面中根據所選擇的激光快速成形機的型號設置“打印機名稱”為“stratasys”,“打印機的打印長度、打印寬度、打印高度”分別為255mm、252mm、200mm,“打印頭的直徑”為0.4mm；通過“機器”→“機器設置”操作，在“機器設置”菜單中“g代碼類型”項中選擇該3d打印機能識別的g代碼格式為stratasys；最后在“開始/結束g代碼”項中將“start.gcode”和“end.gcode”代碼分別替換為“dual_head_start”和“dual_head_send”，建立出控制激光快速成形機的g代碼初始文件；

(4)在cura軟件的“基礎參數”菜單中設置3d打印的基本參數:為了保證模型擁有較高的精度，“層高”取0.1mm；為了保證模型具有高的牢固度，“底部/頂部厚度”的值取1.2mm，同時“外殼厚度”的取值與“底部/頂部厚度”的值要相等為1.2mm；“填充密度“一般取20％；為了保證模型的質量，”打印速度“一般取30-40mm/s；根據所選擇的光敏樹脂的型號為verowhiteplusrgd835設置”打印溫度“為20℃；”支撐類型“和”平臺附著類型“設置為”無“，完成“基礎參數”菜單的設置；

在cura軟件的“高級參數”菜單中設置3d打印的高級參數:”回抽長度“設置為3.5mm，防止放生卡絲現象；”首層層高“設置為0.4mm，使模型打印完第一層能很好地粘貼在工作臺上；”噴嘴移動速度“設置為100mm/s；根據設置的打印速度，將“內/外層打印速度”設置為30mm/s，其他參數保持默認設置，完成“高級參數”菜單的參數設置；

(5)cura軟件會根據所設置的3d打印參數自動地對直齒面齒輪母模的三維模型進行分層切片，并在切片完成后生成相應的g代碼程序，將該g代碼程序保存到sd卡上；

(6)將sd卡插入到激光快速成型機上通過激光快速成形機自帶的objectstudio軟件讀取sd卡中的g代碼，此時該軟件會顯示模型的總分層數、打印時間、打印需要多少材料等信息，并隨后根據g代碼控制3d打印機快速打印出渦輪葉片的樹脂實體；

(7)用平鏟沿著模型與工作臺接觸的部位鏟入，將打印好的渦輪葉片的樹脂實體從工作平臺中取出，再用少量工業酒精涂到布上擦拭殘留在樹脂模型上的液態樹脂；其次用水砂紙對模型的底部、側面進行表面打磨，打磨完后用清水沖洗模型；最后將模型放入固化箱中進行約15min的紫外光照射固化處理。

3、熔模鑄造帶氣膜孔的渦輪葉片實體

(1)將打印好的模具用適當的溶劑進行清洗(如丙酮)，將模具表面的雜質、蠟垢等清洗干凈，并晾制干燥；選用水溶性并且熔點較高的脫模劑(如肯天pmr)，對打印好的渦輪葉片樹脂實體的氣膜孔進行反復噴涂3—5次，每次間隔約10—20分鐘，最后一層噴涂后將模具靜置一個小時；

(2)選取熔點較高的金屬絲(如鎢絲)，先用適當的溶劑對鎢絲表面進行清洗(如丙酮)，將鎢絲表面的雜志清洗干凈；然后使用熔點較高的脫模劑(如肯天pmr)對金屬絲表面進行反復噴涂3-5次，每次間隔約10-20分鐘，最后一層噴涂后將模具靜置一個小時，將噴涂好的金屬絲放置在氣膜孔內，使得涂有脫模劑的部分放置在氣膜孔內，并超出氣膜孔10mm；

(3)然后將中溫蠟放入不銹鋼或鋁制容器中隔水加熱(加熱溫度在85℃左右)使其變為熔融狀態；其次將熔融狀態的蠟靜置在桶中，待其溫度降到65℃左右時將其倒入攪蠟機中進行強力攪拌使其成均勻的膏狀；將蠟膏放在保溫桶中，溫度控制在56-58℃；將渦輪葉片模具表面清理干凈并涂上一層脫模劑；

(4)將澆道模具(包括直澆道模具、橫澆道模具和內澆道模具)放在氣動蠟模壓注機上，并將澆道模具的注蠟口與壓注機射蠟的噴嘴對正；打開澆道模具并對模具內壁噴薄薄的一層分型劑，放螺帽，合上模具；通過壓注機將蠟壓注到模具中，壓注完成后抽出芯子，打開模具取出澆道的模型，最后清理模具上的殘留磨料，將合上磨具進行下一次壓制；

(5)對渦輪葉片以及各澆道蠟模的尺寸進行檢查，對有尺寸問題的蠟模進行剔除，對尺寸合格的蠟模進行表面修整(包括用刀片去除蠟模上的殘留邊過或分模線；用修補蠟修補表面的凹處等)；用烙鐵將直澆道的一端與澆口杯加熱焊接在一起，將直澆道的另一端與橫澆道用烙鐵加熱焊接在一起，再將多個內澆道焊接在橫澆道上；通過給橫澆道焊接多個內澆道從而組成模組可以實現對帶氣膜孔的渦輪葉片的快速鑄造；

(6)將模型以30°左右的傾斜角度緩慢的浸入涂料漿中約3-4秒，再以稍快速度取出模組并進行翻轉；將均勻涂層的模組伸入浮砂桶內進行敷砂，讓全部表面覆上一層莫來砂，并將模組放置12小時進行干燥使第二層型殼固化；重復步驟六5次，完成制殼過程；

(7)將上述制好殼的模型放入到脫蠟蒸汽釜中保持160℃溫度，進行20分鐘左右的脫蠟；對脫完蠟的模型進行檢查，對裂紋<0.5mm的可進行修補，出現成片脫落或、裂的或者裂紋>0.5mm的情況進行報廢處理；

(8)將脫完蠟的模型放入高溫焙燒爐里加熱到900℃-1100℃之間，焙燒40-50分鐘左右，燒好的型殼為白色或薔薇色；再將熔融的鋼液通過各型殼的澆注口澆入到各型殼中，澆鑄完成后靜置其冷卻；

(9)將冷卻后的渦輪葉片鑄件先通過震動脫殼機去除型殼；再通過火焰切割機將澆注系統上的渦輪葉片與澆注系統進行切割分離；在水中進行浸泡并用高壓水槍進行沖洗使氣膜孔與鎢絲之間的脫模劑完全溶解，抽出鎢絲，最后對渦輪葉片制件進行噴砂處理，得到最終的渦輪葉片。

本發明未能詳盡描述的設備、機構、組件和操作方法，本領域普通技術人員均可選用本領域常用的具有相同功能的設備、機構、組件和操作方法進行使用和實施。或者依據生活常識選用的相同設備、機構、組件和操作方法進行使用和實施。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在獲知本發明中記載內容后，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對其作出若干同等變換和替代，這些同等變換和替代也應視為屬于本發明的保護范圍。