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基于熔融沉积技术的汽轮机叶片熔模铸造生产

2016/12/20    来源:互联网    作者:刘树文  傅骏  叶珍珍  殷国富      
关键字:叶片  熔模铸造  快速原型  熔融沉积技术  
熔模铸造生产新型汽轮机叶片需要反复试验验证,设计周期长,成本较高。采用熔融沉积技术得到ABS材料的叶片模样,粘接常规蜡质制作的浇注系统,经过挂砂、脱蜡、脱ABS,浇注冷却后获得了合乎要求的汽轮机叶片。验证了由FDM技术打印制作的ABS材料熔模用于叶片熔模铸造的可行性。

    燃气轮机是现代制造业的“动力之源”,其中的涡轮高温叶片则是燃气轮机的核心部件之一。叶片在高温、高速、高应力和高腐蚀的环境下工作,对组织性能和加工质量要求极高。其结构复杂,制造难度大,目前多采用熔模铸造技术来制作。

    燃气轮机叶片升级换代快。如何快速制造新型叶片样件成了摆在铸造工作者面前的重要任务。四川大学CAD/CAM实验室组成课题组,采用熔融沉积技术(FDM)打印ABS材质作为零件模样、粘接蜡质浇冒系统模样,制造型壳,获得了合格叶片铸件。

1  熔融沉积技术(FDM)

    快速原型技术( Rapid pro totypmg pechnology,RPT)是利用“离散/堆积”的原理,逐层堆积成型零件或产品的原型。与“减材制造”相对应,快速成型技术又被称为“增材制造”。它基于材料的堆积,集机械工程、三维扫描、分层制造技术、材料科学等于一身,将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。

    熔融沉积技术(Fused deposition modeling,FDM)作为快速成型工艺的一种,其过程中无需专门的工装夹具,从CAD数字模型到获得相应的原型或零件,仅需数小时或数十小时。FDM工艺多采用ABS丝材,成型温度通常为80~120℃。与其他的RPT工艺相比,FDM工艺不依赖于激光技术,其成型设备结构简单,维护方便,并且是目前RTP设备中价格最低,其使用的ABS丝材的成本低,易于储存和更换,对环境无污染。

2 汽轮机叶片的快速熔模铸造试验

    2.1 生产ABS模样

    (1)三维造型。首先根据某型叶片设计参数,利用UG软件对所要铸造的叶片进行数字化建模。三维造型时,对叶片做了适当简化处理,取消叶身内形、扰流柱、隔肋、气模孔等细部结构。完成建模的叶片模型,转换为STL格式。

    (2)打印ABS模样。3D打印设备选用Stratasys公司出产的Uprint SE,该设备基于FDM原理打印ABS材质,最大建模尺寸为203mm×152mmx152mm。

    将STL格式文件输入Uprint SE。Uprint SE调用专用分层模块分层优化,结果是11936个面,5970个定点,17904个边。Uprint SE自动对打印路径和支撑材质进行优化。提出了图1所示的三种打印方案。综合分析打印时支撑方式与打印效果,最终选择第三种打印方式。

图1  Uprint SE自动生成的3种打印方案

图1  Uprint SE自动生成的3种打印方案

    打印时,模型材料温度312℃,支撑材料温度312℃。层厚度0.254 mm,壁厚度0.914 mm。时间2.5 h获得了叶片的ABS模样。

    2.2 制造蜡模组

    针对叶片提出了铸造工艺方案。浇注系统型式采用浇口杯+横浇道+分配直浇道的结构。为了防止变形,设置了拉筋,拉筋采用蜡模制作。利用瞬态热分析技术和结构一热场耦合技术,进行有限元模拟,验证浇冒系统方案的合理性,避免缩孔缺陷和应力,确定了模组的铸造工艺方案。

    按照确定的工艺方案,采用配置的蜡模制作浇注系统。浇注系统采用WM36-1商业蜡。蜡料在110~150℃下保温并搅拌。在54~70℃下保温24h后,方可用于压制浇注系统。蜡模室温18~25℃,湿度30%~70%。采用特殊工艺实现ABS模样和蜡质浇注系统的粘接。

    ABS叶片模样以及蜡质浇注系统的蜡模组结构见图2。

图2 ABS叶片模样+蜡质浇注系统的蜡模组

图2 ABS叶片模样+蜡质浇注系统的蜡模组

    2.3 制造型壳

    获得试制数据后,调整了企业熔模铸造的涂料配方,调整了型壳的膨胀率,保证型壳在后续脱ABS和脱蜡过程中微变形但不破裂。获得了完整的型壳。

    (1)工艺参数。一共挂砂五层半,配方部分参数见表1。操作中,加强过程控制。严格涂料配方,认真执行制壳间与干燥间的温度及相对湿度,严密监测风速,控制干燥时间等。

 表1 制造型壳的工艺参数

表1制造型壳的工艺参数

    (2)脱蜡和脱ABS。首先在DN型蒸汽脱蜡釜中脱蜡,温度152℃,时间6 min。然后按照制订的工艺路线在焙烧炉中脱ABS,获得了完整的型壳。

    (3)叶片产品。浇注前再次焙烧。采用手抬包浇注。浇注金属后,冷却180 min脱壳。经过喷砂处理后的叶片产品见图3。

图3 叶片产品

图3 叶片产品

3 结束语

    首次采用FDM打印的ABS模样粘接蜡质的浇注系统的快速熔模铸造技术,生产了汽轮机叶片,为企业创造了新的经济增长点。

    3D打印技术在铸造方面的应用越来越广泛,铸造企业必须抓紧时机,结合自己的现有条件,迎头赶上。

责任编辑:马倩
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