基于增材制造技術(shù)的空心渦輪葉片精準(zhǔn)成形控制

劉亮杰，劉哲峰，徐云龍，劉巖，苗愷，魯中良，李滌塵

基于增材制造技術(shù)的空心渦輪葉片精準(zhǔn)成形控制

劉亮杰，劉哲峰，徐云龍，劉巖，苗愷，魯中良*，李滌塵

（西安交通大學(xué) 精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

基于光固化快速成形工藝，將一體化陶瓷鑄型技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，采用型腔反變形方法補(bǔ)償金屬液凝固收縮，實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜空心渦輪葉片的型面精準(zhǔn)成形控制。通過數(shù)值模擬分析了葉片各方向（葉寬、葉長和葉厚）的凝固變形規(guī)律，并建立了各截面的位移場(chǎng)模型。通過仿真迭代補(bǔ)償凝固收縮，修正了葉身外型面，完成了葉片CAD模型重構(gòu)?；诠夤袒焖倬T技術(shù)，快速制作了一體化鑄型，并完成了葉片澆注實(shí)驗(yàn)。對(duì)補(bǔ)償前后葉片葉身外型面偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，葉身主要部位偏差明顯降低，尾緣偏差由?0.335 mm降低至?0.136 mm，前緣偏差由?0.246 mm降低至?0.111 mm，驗(yàn)證了該技術(shù)在葉片型面精度控制方面的有效性。實(shí)現(xiàn)了渦輪葉片型面精度的有效控制，為高精度空心渦輪葉片的快速制造提供了新的途徑。

空心渦輪葉片；光固化成形；陶瓷鑄型；反變形；型面精度

空心渦輪葉片作為工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)和制造質(zhì)量決定了兩機(jī)裝備的綜合性能。在滿足氣動(dòng)設(shè)計(jì)要求方面，葉片的型面精度控制問題已成為制約其制造技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題[1-3]。空心渦輪葉片具有中空、薄壁、外形復(fù)雜等特點(diǎn)，在定向凝固過程中，金屬液凝固收縮會(huì)導(dǎo)致葉片變形嚴(yán)重，影響葉片型面精度[4-6]。為了解決金屬液凝固收縮帶來的變形，傳統(tǒng)熔模鑄造工藝通常需要進(jìn)行重新修模，工藝流程較為復(fù)雜，且成本較高，周期較長。要實(shí)現(xiàn)空心渦輪葉片的精確控形，傳統(tǒng)熔模制造技術(shù)的關(guān)鍵在于型腔的放型設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接決定著葉片型面精度。型腔放型設(shè)計(jì)的原則是在產(chǎn)生變形部位給予合適的反變形量以抵消鑄件在凝固和冷卻過程中的收縮變形[7-9]。在傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)中，常使用統(tǒng)一的整體收縮系數(shù)計(jì)算型面[10-11]，通常認(rèn)為鑄件在各個(gè)位置具有同樣的收縮系數(shù)，但這種方法會(huì)帶來較大偏差。這是因?yàn)槿~片的形狀比較復(fù)雜，冷卻過程中散熱不均，葉片各部位的變形也不均勻。有些學(xué)者提出，在不同坐標(biāo)軸方向上施加不同的收縮比，可以有效地提高模腔的精度[12-14]。由于數(shù)值模擬和逆向工程技術(shù)日趨成熟，許多新的數(shù)值計(jì)算方法已經(jīng)被應(yīng)用到實(shí)際工程中，因而可以考慮采用更高效的計(jì)算方法來求出鑄件在不同部位所需要的反變形量[15]。Dong等[16]為了滿足尺寸公差的要求，提出了一種基于有限元法的渦輪葉片蠟?zāi)Ｐ兔嬖O(shè)計(jì)的有效數(shù)值方法——位移迭代補(bǔ)償法?；谶@種方法，他們優(yōu)化了蠟?zāi)］喞?，并針?duì)一個(gè)典型合金葉片，通過開發(fā)的模具形狀優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了尺寸和形狀公差的大幅降低。Dou等[17]提出了一種利用ProCAST逆向設(shè)計(jì)型腔的方法，該方法結(jié)合了網(wǎng)格文件簡(jiǎn)化和快速排序的方法，可以大大提高排序和匹配的效率，此外，利用ProCAST可以建立用于精鑄的優(yōu)化模具輪廓。Zhang等[18]提出了一種基于反變形原理的空腔優(yōu)化方法，在反變形方法中，將表征非線性收縮的位移疊加在初始腔廓上，補(bǔ)償了合金的凝固收縮；他們還提出了一種基于逆向工程的位移估計(jì)算法，并對(duì)其葉片測(cè)量、模型配準(zhǔn)、位移統(tǒng)計(jì)分析等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。Dong等[19]為了避免對(duì)模具形狀進(jìn)行大量修改，以單晶空心透平葉片為典型零件，在熔模鑄造過程中根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定了其不均勻的收縮分布情況。西北工業(yè)大學(xué)將虛擬修模技術(shù)與有限元模擬相結(jié)合，不斷修正模具，得到了滿足要求的模具型腔[8]。

上述研究均是在傳統(tǒng)熔模鑄造的基礎(chǔ)上進(jìn)行模具型腔優(yōu)化，盡管與數(shù)值模擬相結(jié)合能夠加速葉片模具型腔的優(yōu)化過程，但是仍然需要繁瑣的試模修模來進(jìn)行模具調(diào)整，且存在模具定位難度高、裝配誤差大等問題。Wu等[20]和Lu等[21]首次將光固化快速成形與凝膠注模技術(shù)相結(jié)合，發(fā)明了型芯型殼一體化鑄型工藝，從而充分發(fā)揮了增材制造技術(shù)“自由制造”的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鑄型的控形控性和快速制造。本文在型芯型殼一體化鑄型工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，將數(shù)值仿真方法和CAD參數(shù)化建模方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了鑄型型腔的快速修型優(yōu)化和葉片外型面精度的有效控制，大大縮短了型腔的優(yōu)化周期，加快了葉片制造技術(shù)的迭代。

1 仿真與建模

1.1 有限元仿真

在定向凝固過程中，基于鑄造有限元軟件ProCAST可以獲得葉片的溫度場(chǎng)、凝固場(chǎng)和位移場(chǎng)，以分析葉片在鑄造過程中的溫度變化、凝固情況和葉身外型面收縮變形情況。在有限元仿真時(shí)，首先需要對(duì)澆注系統(tǒng)CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)后期型面收縮變形仿真的準(zhǔn)確性有決定性作用?？紤]到以葉片為主要研究對(duì)象，對(duì)葉片進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，以減小網(wǎng)格劃分對(duì)收縮變形結(jié)果的影響，具體將葉片和選晶器部分網(wǎng)格大小設(shè)置為0.01 mm，陶瓷鑄型網(wǎng)格大小設(shè)置為1 mm，水冷盤網(wǎng)格大小設(shè)置為5 mm，爐體部分網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm。ProCAST數(shù)值模擬基本參數(shù)設(shè)置如下：熱區(qū)溫度為1 550 ℃，過渡區(qū)溫度為1 000 ℃，冷區(qū)/水冷盤溫度為25 ℃，熱/過渡/ 冷區(qū)熱輻射系數(shù)為0.8[22]，模殼外表面熱輻射系數(shù)為0.7，合金/鑄型換熱系數(shù)為2 000 W/(m2·K)[23]，合金/水冷盤換熱系數(shù)為500 W/(m2·K)[23]，水冷盤/鑄型換熱系數(shù)為20 W/(m2·K)[23]。使用的高溫合金為CMSX-4，其主要化學(xué)成分如表1所示。在計(jì)算過程中，根據(jù)一體化鑄型材料實(shí)測(cè)值及文獻(xiàn)報(bào)道的氧化鋁型殼材料參數(shù)設(shè)置氧化鋁陶瓷鑄型熱物性參數(shù)。

1.2 金屬凝固收縮位移場(chǎng)建模

在ProCAST后處理過程中，使用Thermal分析功能分別對(duì)葉片凝固過程中的凝固場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行結(jié)果分析。分別對(duì)葉寬（方向）、葉厚方向（方向）和葉長（方向）方向的收縮變形情況進(jìn)行分析，總結(jié)葉片變形規(guī)律，其中葉厚和葉寬方向的位移是關(guān)鍵尺寸，關(guān)系到葉片的鑄造精度。

葉寬方向隨冷卻時(shí)間變化發(fā)生的變形如圖1a所示?？梢钥闯?，由于引晶段先進(jìn)入凝固狀態(tài)，而與之接觸的水冷盤的溫度較低，所以最先出現(xiàn)變形。葉身上尾緣較薄，散熱較快，較早出現(xiàn)凝固，隨著時(shí)間的推移，當(dāng)模擬步達(dá)到750步時(shí)，葉身完全凝固，當(dāng)模擬步達(dá)到1 000步時(shí)，葉片溫度與葉寬方向的變化趨勢(shì)基本相同，而尾緣則向葉身中心軸方向收縮。葉厚方向的變形情況如圖1b所示。可知，葉身上尾緣部分仍然較早開始凝固變形，同時(shí)尾緣變形方向?yàn)槿~盆法線正方向，產(chǎn)生了包縮變形；前緣變形方向與尾緣變形方向相反，因此葉厚方向的變形為圍繞葉身收縮中心扭轉(zhuǎn)[1]。葉長方向的變形情況如圖1c所示，與葉身和葉厚方向變形情況相似，尾緣部分較薄，首先發(fā)生收縮變形；前緣部分較厚，散熱相對(duì)緩慢，凝固收縮過程也較慢，葉身部位的等位移線呈斜線狀，隨著整個(gè)葉片溫度趨于一致，葉長方向的變形逐漸趨于穩(wěn)定。葉片的整體變形情況如圖1d所示。

在金屬液凝固過程中，由于凝固收縮導(dǎo)致的鑄件表面和設(shè)計(jì)點(diǎn)的位置變化即為鑄件與設(shè)計(jì)模型的位移場(chǎng)[24-25]。位移場(chǎng)模型的實(shí)際表現(xiàn)形式為點(diǎn)集的位移數(shù)據(jù)，是型腔優(yōu)化的前提。在設(shè)計(jì)時(shí)，渦輪葉片需要滿足氣動(dòng)性要求，且精度要求較高[26]。由于后續(xù)需要對(duì)葉片的榫頭進(jìn)行機(jī)械加工，可忽略榫頭部分變形，因此只需考慮葉身部分的變形情況[27]。葉身的CAD模型如圖2a所示，其主要參數(shù)如下：葉身長為68.2 mm，前緣和尾緣半徑分別為2.15 mm和0.85 mm，最大弦長為41.4 mm，最大內(nèi)切圓半徑為5.72 mm。對(duì)渦輪葉片葉身外型面的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行提取，得到足夠多的唯一數(shù)據(jù)后建立葉身位移場(chǎng)模型。葉身截面如圖2b所示。為了方便統(tǒng)計(jì)，在葉身部位取6～10組截面線，截面線在葉片上的位置如圖2c所示。

對(duì)截面外輪廓進(jìn)行位移場(chǎng)分析，在每個(gè)截面均勻選取500個(gè)采樣點(diǎn)，其編號(hào)在輪廓上的位置如圖3所示。截面位置I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表前緣、葉盆、尾緣、葉背位置，選擇某一高度截面位置分析并統(tǒng)計(jì)截面各位置點(diǎn)收縮變形數(shù)據(jù)，即可得到各截面的仿真位移場(chǎng)，如圖4所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，葉身的平均偏差維持在0.65 mm上下，變形偏差較大，不滿足型面精度要求。

1.3 葉身CAD模型重構(gòu)

為了補(bǔ)償凝固收縮變形，采用反變形法對(duì)葉身CAD模型進(jìn)行重構(gòu)。反變形法是指在鑄造過程中，通過調(diào)控鑄件的變形尺寸和分布來調(diào)整模腔，使其在凝固收縮后的形狀滿足精度要求的方法。假設(shè)葉片的目標(biāo)形狀函數(shù)為，數(shù)值模擬前的形狀函數(shù)為，數(shù)值模擬后的形狀函數(shù)為，有限元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(,,)，其他形狀函數(shù)形式相同，則第次模擬前起始形狀P經(jīng)次模擬計(jì)算得到變形后形狀Q，迭代計(jì)算后葉片變形后形狀與目標(biāo)形狀的偏差如式（1）所示。

圖1 葉片凝固收縮變形位移云圖

圖2 葉片及葉身截面位置示意圖

圖3 仿真采樣點(diǎn)示意圖

圖4 某截面仿真位移場(chǎng)

當(dāng)偏差ΔD小于設(shè)定的偏差容忍值時(shí)，則P為最終的反變形形狀；反之，則需要在前一步反變形形狀基礎(chǔ)上反向疊加ΔD，如式（2）所示。

式（2）為位移場(chǎng)補(bǔ)償?shù)倪f推公式，使用迭代法計(jì)算得到P+1，然后計(jì)算得到m+1，最后得到形狀偏差ΔD+1，如果偏差滿足要求，即可輸出最終的反變形形狀函數(shù)，如式（3）所示。

得到葉片的外型面偏差后，基于本課題組光固化快速精鑄技術(shù)，采用UG三維軟件重構(gòu)葉片樹脂原型模型，其中重構(gòu)數(shù)據(jù)來源于仿真優(yōu)化后的最終模型。對(duì)截面每個(gè)特征點(diǎn)補(bǔ)償修正后，連接形成樣條曲線，作為重構(gòu)模型的截面線，并進(jìn)一步建立葉身三維模型，實(shí)現(xiàn)葉片樹脂原型的重構(gòu)，如圖5所示。在葉片重構(gòu)過程中，由于葉盆散熱比葉背散熱慢，其收縮率也會(huì)增大。同時(shí)，由于型殼吸熱快，型殼膨脹具有向型腔凸起的趨勢(shì)，因此葉盆中部會(huì)產(chǎn)生很大的收縮，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要給予葉盆足夠的修正量。將修正之后的模型導(dǎo)入ProCAST軟件中繼續(xù)進(jìn)行仿真模擬，經(jīng)過不斷的仿真迭代后，直至型面偏差與設(shè)計(jì)值差值在合格范圍內(nèi)。

葉身截面由多條不規(guī)則的曲線組成，主要分為前緣尾緣和葉盆葉背部位。其中葉身截面的主要參數(shù)包括截面弦長、前后緣弦長、截面軸弦和截面最大厚度等。在確定補(bǔ)償特征點(diǎn)時(shí)，首先需要將控制葉身參數(shù)所涉及的型面點(diǎn)作為特征點(diǎn)，其次等距選取其他特征點(diǎn)進(jìn)行型面形狀控制。在UG平臺(tái)上構(gòu)建截面曲線，確定放樣線條的起點(diǎn)后，依次選擇各截面補(bǔ)償曲線，利用UG平臺(tái)上的“通過曲線組”命令完成葉身曲面的構(gòu)建，如圖6所示。

對(duì)葉身重構(gòu)后進(jìn)行仿真迭代，迭代多次后得到最終的型面偏差，如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多次迭代后，重構(gòu)后的模型的型面偏差明顯降低，葉身整體偏差平均值維持在0.175 mm，下降了73%。至此，本文以該葉片模型作為最終樹脂CAD原型，進(jìn)行后續(xù)的一體化陶瓷鑄型制備和葉片制造實(shí)例驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

經(jīng)過反變形補(bǔ)償后得到CAD葉片模型，完成補(bǔ)償前后葉片樹脂原型的打印和一體化鑄型制備。采用定向凝固爐進(jìn)行葉片澆注實(shí)驗(yàn)，定向凝固工藝參數(shù)與仿真參數(shù)一致。

圖5 葉身模型重構(gòu)示意圖

圖6 曲線組與葉身曲面

圖7 迭代后型面變形量

待澆注工作結(jié)束后，對(duì)鑄件進(jìn)行脫芯，之后得到空心渦輪葉片鑄件，通過X射線檢驗(yàn)葉片內(nèi)腔是否存在殘芯，最終得到補(bǔ)償前后的單晶葉片。觀察發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償前后葉片鑄件無明顯偏芯斷芯等鑄造缺陷，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不存在殘芯且結(jié)構(gòu)完整。接下來對(duì)葉片的外型面偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

渦輪葉片的結(jié)構(gòu)由葉身、緣板和榫根段構(gòu)成，葉身的收縮變形是影響葉片成形精度的重要因素。本節(jié)以葉身為研究對(duì)象，分析其收縮變形規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)中采用逆向工程技術(shù)統(tǒng)計(jì)葉身型面規(guī)律，使用三維光學(xué)掃描儀掃描葉片鑄件以得到其反求模型。將葉身部位的反求結(jié)果與CAD原型進(jìn)行比對(duì)分析，對(duì)其關(guān)鍵部位進(jìn)行偏差分析，得到其偏差規(guī)律，并驗(yàn)證基于反變形技術(shù)優(yōu)化型面精度的可行性。測(cè)量各位置偏差，補(bǔ)償前葉身偏差如圖8所示。由光學(xué)反求可知，補(bǔ)償前葉片的尾緣部位收縮變形量大于前緣的，前尾緣的平均偏差分別為?0.246 mm和?0.335 mm。葉盆葉背平均偏差分別為?0.032 mm和?0.030 mm。葉身前尾緣部位的變形較大，葉盆葉背變形較小，這一結(jié)論與本節(jié)中精鑄仿真規(guī)律相一致。

補(bǔ)償后葉片葉身型面偏差圖如圖9所示?？芍?，補(bǔ)償后葉片型面的整體偏差呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，前尾緣平均偏差為?0.111 mm和?0.136 mm，葉盆葉背平均偏差為?0.034 mm和?0.029 mm，偏差值均穩(wěn)定在0.14 mm以內(nèi)。葉身關(guān)鍵部位偏差統(tǒng)計(jì)平均值如圖10所示，說明反變形補(bǔ)償方法對(duì)渦輪葉片葉身的型面偏差控制具有顯著作用，驗(yàn)證了該方法的可行性。

圖8 補(bǔ)償前葉身偏差統(tǒng)計(jì)

圖9 補(bǔ)償后葉身偏差統(tǒng)計(jì)

圖10 補(bǔ)償前后各部位平均偏差統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

基于型芯/型殼一體化陶瓷鑄型技術(shù)，對(duì)空心渦輪葉片外型面精度控制進(jìn)行了研究，提出了基于光固化快速精鑄技術(shù)的型腔反變形優(yōu)化方法。得到以下結(jié)論：

1）通過數(shù)值模擬獲得了葉片凝固過程中各方向的變形規(guī)律，并建立了渦輪葉片各截面位移場(chǎng)模型。經(jīng)過仿真迭代不斷修正葉身型面，得到了滿足偏差要求的葉片CAD原型。

2）將修正后的葉片CAD原型與光固化快速精鑄技術(shù)相結(jié)合，快速修正了鑄型型腔，并完成了葉片澆注實(shí)驗(yàn)。對(duì)補(bǔ)償前后的葉片葉身外型面偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)葉身主要部位偏差明顯降低，尾緣偏差由?0.335 mm降低至?0.136 mm，前緣偏差由?0.246 mm降低至?0.111 mm。葉片外型面精度得到了顯著改善。

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Precision Forming Method of Hollow Turbine Blades Based on Additive Manufacturing Technology

LIU Liang-jie, LIU Zhe-feng,XU Yun-long,LIU Yan, MIAO Kai, LU Zhong-liang*, LI Di-chen

(State Key Laboratory of Precision Micro Nano Manufacturing Technology, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

The work aims to combine integrated ceramic casting technology with numerical simulation technology based on SL and adopt the cavity anti-deformation method to compensate the solidification shrinkage of molten metal, thus realizing the precise forming control of highly complex hollow turbine blade surface. Through numerical simulation, the solidification deformation law of blade in each directions (blade width, blade length and blade thickness) was analyzed, and the displacement field model of each section was established. By compensating solidification shrinkage through simulation iteration, the outer surface of the blade body was modified and the CAD model reconstruction was completed. Based on the SL rapid precision casting technology, the integrated mold cavity was quickly made, and the blade casting experiment was completed. According to the statistics of the deviation of the outer surface of the blade before and after compensation, the deviation of the main parts of the blade was significantly reduced: the deviation of the trailing edge was reduced from ?0.335 mm to ?0.136 mm and the deviation of the leading edge was reduced from ?0.246 mm to ?0.111 mm, which verified the effectiveness of the anti-deformation compensation technology in the precise control of the blade surface. The turbine blade surface precision is effectively controlled, providing a new approach for the rapid manufacturing of high-precision hollow turbine blades.

hollow turbine blade; stereolithography; ceramic casting; anti-deformation; surface precision

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.007

TG244

A

1674-6457(2023)011-0061-08

2023-10-10

2023-10-10

國家慧眼行動(dòng)項(xiàng)目；國家重大專項(xiàng)（J2019-Ⅶ-0013-0153）

The National Insight Action Project; National Major Special Projects (J2019-Ⅶ-0013-0153)

劉亮杰, 劉哲峰, 徐云龍, 等. 基于增材制造技術(shù)的空心渦輪葉片精準(zhǔn)成形控制[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 61-68.

LIU Liang-jie, LIU Zhe-feng, XU Yun-long, et al. Precision Forming Method of Hollow Turbine Blades Based on Additive Manufacturing Technology[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 61-68.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：蔣紅晨