基于增材制造涡轮叶片的熔模铸造工艺分析

基于增材制造涡轮叶片的熔模铸造工艺分析

刘振

泰钢合金（中山）有限公司 528400

摘要：本文主要基于FDM3D打印技术，阐述其在涡轮叶片熔模铸造当中的实际运用效果，通过设计侧柱式、顶注式以及底注式的方式，从软件分析的角度出发，确定最佳的铸造方案，为相关领域的工作人员提供一定的技术参考，从而满足人们对于3D打印技术的需求。

关键词：FDM3D技术；打印技术；熔模铸造

引言：通过计算机模型的分析与计算方式，可以较为准确的了解到熔模铸造的一些技术缺陷，以及通过结合3D打印技术，便可以提升打印技术的整体性能，同时有效的解决涡轮叶片模具在制作方面的一些技术缺陷问题，提升生产制造的质量与水平。

1 研究背景

近净型熔模的境地铸造技术有着较为复杂的工艺，所形成的尺寸精度较高，加上表面粗糙度比较良好，以此该技术已经运用到了广大的复杂薄壁件的制造领域，在进行熔模的铸件的设计中，由于直接决定了整体的铸件尺寸精度，因此使得在进行建设的过程中，基本上采用了压型的方式，这样的压制熔模处理之前，还需要对压型的表面涂薄层进行分型剂的使用，这样才可以顺利的实现熔模的去除。但是传统的工艺中， 对于操作要求比较高，加上成本投入量比较大，因此需要未来进行技术方面的创新，以及解决复杂的金属模型制造问题。

在进行试验的过程中，引入了顶注式、底注式的处理方式，这样两种的金属浇筑方式，使得可以很好的进行后续的数值模拟分析，同时结合科学合理的打印技术，便可以得到质量较高的铸件。

2 涡轮叶片结构

对于涡轮叶片的结合而言，本文主要基于外径60mm，中心环高度为8.7mm的材料为例。该涡轮叶片的熔模精铸件的壁厚需要均匀，以此使得进行设计的过程中，需要建立该铸件的模型。涡轮叶片由于有着扭转的形状，使得在进行运行的中，可能会受到一些内部的缺陷问题，导致缩松孔的问题发生。其次，为了很好的结合铸造工艺技术，也相应的要使用CAE软件，对其涡轮叶片的浇筑系统进行针对性的分析与模拟，以此保障在进行后续的浇筑环节，实现对导热率降低，以及提升精度的耐高温石膏材料。

3 方案设计与模拟分析

3.1 浇筑系统方案

结合铸造浇注系统的设计要求，基于顶注式、底注式的方式，进行系统的设计与制造。相关设计人员使用计算机软件，可以对这两种系统进行建模分析，以此实现对三维模型的精细化调整。这样的模型设计方式，主要是设置一个良好的模型，之后基于凝固处理的方式，保障后续以及之前的处理过程中，都可以很好的实现对分解器的针对性调整，便于后续进行模块方面的及时处理，并进行计算与分析。下图1为涡轮叶片的几何尺寸。

图1 涡轮叶片的几何尺寸

2.2 浇注系统方案模拟

2.2.1 顶注式浇注系统

金属溶液在达到了腔底之前，会出现充型并不均匀，同时液面并不平整的情况，以此就证明在这个过程中，出现熔液的紊流。工作人员结合缺陷参数进行集中的分析，可以了解到具体的涡轮叶片的质量问题，进行后续的处理中，采集到残余的熔体模型，以此实现对缩孔的合理处理。在后续进行针对性的分析环节，还要强化整体的质量，以此满足人们的实际需求。

2.2.2 底注式浇筑

金属溶液在进入到了工件的底部之后，整个凝固过程要进行模型的分析与处理。通过对模型的分析，发现金属的凝固过程并不基于凝固的顺序进行，同时涡轮的叶片也会出现一定的缺陷与孔洞。

2.2.3 测注式浇铸

这样的浇铸过程中，凝固的整个过程都会出现一定的缺陷问题，因此为了保障整个系统的运行稳定性，便需要进行针对性的分析，以及对缺陷进行合理化的调整。同时，加强对不同的缩孔的鸡中翅护理，将其运用到浇筑的系统领域中，这样才不会带来一定的负面问题。

2.2.4 侧注式浇筑

这样的浇铸系统，基本上是凝固过程有着一定的差异，其中缩松孔的分析过程，发现这样的浇铸流程比较平稳，同时在进行铸件的整体质量评估中，始终维持比较高的质量，以此得到了良好的调整与处理效果。

在经过详细的分析之后，发现最佳的浇注系统为侧注式的处理方式。而从凝固的角度进行分析，测注式的系统建立，相比较一些传统的建设方式，有着更加全面具体的凝固补缩的效果。在未来进行处理的过程中，凝固可以很好的避免在涡轮的叶片工件上，出现移动的缩松孔。在进行后续的分析中，则是需要将涡轮叶片的铸件进行科学合理的处理，以及保障整个工件的处理中，都能够符合顺序的凝固处理方式。未来进行方案的设计中，可以利用对不同的凝固模拟分析方式，以及保障对不同系统进行结合分析，这样才能够极大的提升系统运行能力。

在进行不同的模拟模型的分析中，发现在涡轮叶片位置为重要的环节，只有保障在进行试验的过程中，始终提升凝固的时间把控力度，以及强化在后续进行试验过程中的合理性，才可以很好的满足人们的实际需求，强化整体建设质量。

3 实验验证分析

在当前进行耐高温的实验分析环节，需要将石膏与水基于特定的比例进行调制，以此充分的搅拌，直到完全排出气泡为止。之后将熔模放入到石膏当中进行制造。

等待石膏铸模自然风干之后，将石膏铸模基于侧倒的方式，放入到电阻炉内部。在这样的处理方式下，始终可以维持较强的熔模气化程度。另外，为了保障在进行石膏型的处理中，可以提升铸件的整体水平，就要积极的维持一个良好的表面质量，以及进行各种关键部件的打磨以及分析，才可以实现对质量的合理化处理。

在经过这样的处理之后，发现涡轮叶片在结构方面，形成了快速成型的制造方式，同时基于3D打印技术为基础，实现了涡轮叶片铝合金铸件的处理效果。同时，这样也相应的证明了铸造工艺的使用当中，全面结合了快速成型的技术类型，同时得到优良的铸件，并提升铸造的整体质量。

需要注意的是，在进行分析中，还要结合各种类型的材料使用，以及对于一些铸件的质量问题进行集中的分析，以此在后续进行缺陷问题解决与处理中，维持一个良好的质量处理方式。另外，在进行实际的处理环节，还要强化对铸造方面的问题处理能力。在基于增材制造的方式下，这样的熔模铸造工艺的使用，还要强化对不同工艺方面的深入研究，加上对于不同铸造方案的集中分析，才可以很好的提升整体的建设能力，同时保障结合打印技术，在未来进行技术升级的环节，利用对熔模铸造的工艺集中化的分析，才可以很好的提升建设的效果，不会带来一定的问题，并让相关设备可以维持一个良好质量，强化建设的总体模型以及工艺方面的水平，才可以提升建设质量。

总结：综上所述，在本文所开展的基于增材制造涡轮叶片的熔模铸造工艺分析中，发现不同的铸造技术有着不同的特征，以此就需要在进行处理中，全面结合系统的特征，选择一个合理的铸造工艺，以此解决传统设计与制造过程中的弊端问题，提升制造质量。

参考文献：

[1]胡殿印,潘锦超,米栋,等.航空发动机增材制造结构强度、寿命评估与设计：研究现状及展望[J].航空动力学报,2022,37(10):2112-2126.

[2]郑亮,刘朝阳,朱强,等.超瞬态凝固增材制造梯度整体涡轮叶盘用高温合金粉末特性研究Ⅱ：叶片用合金粉末[J].稀有金属材料与工程,2021,50(11):3979-3986.