本发明属于增才制造技术领域，具体涉及一种面向单晶高温合金零件的陶瓷铸型制备方法。
背景技术：
高温合金是当前能源动力设备热端零部件广泛采用的材料，其中单晶高温合金由于具有优良的高温性能而被用于制造高温下稳定工作的零件。复杂结构单晶高温合金零件一般采用定向凝固熔模铸造的工艺进行制造。熔模铸造的陶瓷铸型制造工艺包括了型芯制造、蜡模制造、组模、涂挂制壳、化蜡、焙烧等步骤，涉及型芯金属模具准备和蜡模金属模具准备等前期生产准备工作。该方法由于生产准备周期及成本等因素，在零件前期设计迭代过程中，无法做到对研制需求的快速响应。
在铸型材料方面，高温合金精密铸造常用的有氧化铝基、氧化硅基材料。氧化铝基材料做成型芯存在脱芯困难的问题，而氧化硅基材料则存在与合金熔体界面反应的问题。氧化钙作为一种具有优良性能的耐火材料，高温力学性能好，化学性质稳定；并且，由于与水存在反应，如用作型芯材料，则脱除将非常容易，是一种理想的陶瓷铸型材料。同时也由于存在易水化的问题，氧化钙水基陶瓷浆料配制存在困难，尚未得到广泛应用。
增材制造技术是一种融合信息、材料、制造等多学科发展起来的先进制造技术，通过材料逐层累加成型实体零件，适合复杂零件的小批量生产，能够节约大量准备时间及成本。光固化快速成型(stereolithography)是最先得到发展，精度较高的一种增材制造技术，通过特定波长的光束逐层扫描液态光敏树脂而固化成型树脂零件。西安交通大学提出了一种基于光固化快速成型技术的型芯型壳一体化陶瓷铸型快速制造方法，该方法首先制备光固化树脂模具，然后采用陶瓷凝胶注模工艺，经冷冻干燥、脱脂、高温烧结后，可实现陶瓷铸型的快速制造。
目前新型的光固化技术将传统的点扫描发展为面曝光，利用led光源、数字微小反光镜阵列(dmd)动态掩模及光学成像系统，可实现零件整个截面上树脂的同时固化，大大提高了零件的制备效率。同时，根据不同的应用领域，可将特定陶瓷颗粒加入光敏树脂，制备出树脂基陶瓷浆料，再通过光固化成型工艺，直接制备陶瓷材料零件。这种新型的光固化快速成型技术为制备单晶高温合金零件陶瓷铸型提供了一种新的技术途径。与传统光固化树脂模具结合陶瓷凝胶注模方法制备陶瓷铸型相比，此方法可大大简化制备工艺流程，进一步加快制备效率，并且无需配制水基陶瓷浆料，对氧化钙陶瓷材料的成型提供了技术基础。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种面向单晶高温合金零件的陶瓷铸型制备方法，该方法采用基于面曝光法的光固化快速成型技术，利用其快速成型复杂零件时具有的优势，制备整体式氧化钙陶瓷铸型，用于单晶高温合金零件的研制，降低研发成本，缩短研发周期。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一，根据需求设计陶瓷铸型；
步骤二，配制陶瓷浆料；
步骤三，将步骤一中的陶瓷铸型三维模型转换为stl格式，按照零件最小特征要求确定分层厚度并进行分层切片，分层厚度20μm～100μm，确定成型取向并加支撑处理，得到光固化成型机用数据；使用基于面曝光法的光固化快速成型机，将步骤二中配制的陶瓷浆料加入成型机的液槽内，进行陶瓷铸型素坯的制备；
步骤四，对陶瓷铸型素坯进行后处理；
步骤五，在高温烧结炉中，按照预定升温工艺，在1500℃～1700℃温度范围完成步骤四中制备的陶瓷铸型素坯的高温烧结，得到面向单晶高温合金零件陶瓷铸型。
所述步骤一中，设计陶瓷铸型的具体方法如下：
按照铸造工艺要求确定总体结构、浇注系统、选晶系统、铸型壁厚的基本参数；使用三维cad建模软件进行零件陶瓷铸型建模；使用procast铸造模拟软件对浇注温度、铸型温度、抽拉速率条件下陶瓷铸型应力、温度场、晶体生长进行模拟分析，根据模拟结果对陶瓷铸型进行设计迭代；最终得到定向凝固温度场均匀，并且铸造缺陷少的陶瓷铸型结构及设计参数，建立陶瓷铸型三维模型。
所述步骤二中，配制陶瓷浆料的具体方法如下：
将光敏树脂及分散剂采用机械搅拌方式均匀混合，搅拌过程中逐渐加入陶瓷粉体及烧结助剂，最后采用球磨方法使固相分散均匀；
其中，陶瓷粉体的体积分数占陶瓷浆料总体积的40％～60％；烧结助剂含量为陶瓷粉体质量百分比的0.5％～2％；分散剂含量为陶瓷粉体质量百分比的0.5％～2％；其余为液态uv光敏树脂，均匀混合后真空除气，得到光敏树脂基陶瓷浆料。
所述陶瓷粉体主要为氧化钙，粒径为0.1μm～100μm，烧结助剂为纳米zro2或者纳米y2o3中的一种或两种按照质量比1:1的均匀混合物。
所述步骤四中，对陶瓷铸型素坯进行后处理的具体方法如下：
用工业酒精清洗步骤三中制备的陶瓷铸型素坯，置于后处理光固化箱中进一步固化3～5h，然后置于干燥箱内在40～50℃温度范围内保温5～10h使残留的液态有机物挥发，人工去除支撑并光整内腔表面，在高温烧结炉内600～900℃温度范围内保温3～6h脱除有机物。
所述步骤五中，得到面向单晶高温合金零件陶瓷铸型后，对陶瓷铸型进行防水处理。
所述进行防水处理的具体方法如下：
将步骤五中制备的陶瓷铸型置于200～300℃的二氧化碳气氛箱中，在铸型表面原位生成致密的碳酸钙层。
与现有技术相比，本发明采用基于面曝光法的新型光固化快速成型技术来实现单晶高温合金零件陶瓷铸型的制备，无需型芯型壳装配及蜡模的制备及组装，可直接制备出满足要求的高精度整体式陶瓷铸型，大大简化工艺流程。选晶系统与铸型为一体成型，避免了传统熔模铸造中选晶系统和零件蜡模组装带来的异物夹杂或装配位置不良而产生杂晶缺陷，并且可通过对铸型结构及壁厚的设计来实现对高温合金定向凝固过程的准确控制，减少铸造缺陷的产生。现有的光固化树脂模具结合凝胶注模法制备陶瓷铸型需要通过制备树脂模具然后再进行陶瓷浆料凝胶注模成型，树脂模具为光斑点扫描成型，制备效率低，并且凝胶注模的水基陶瓷浆料对粘度要求高，浇注入树脂模具时存在夹气、充型不完整、漏浆等问题，树脂模具在后续工艺中还需人工剥离。而本发明采用的面曝光法光固化成型，成型效率高，使用光敏树脂基陶瓷浆料，可直接制得复杂结构氧化钙基陶瓷铸型，用于单晶零件的快速研制。本方法可简化制备工艺流程，缩短制备周期，并且具有铸型与高温合金熔体界面反应弱，型芯脱除容易的优势。
附图说明
图1为实施例1中零件陶瓷铸型示意图；
图中，1、浇冒口，2、芯型壳连接段，3、零件部分，4、螺旋选晶器，5、底座，6、中央立柱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
步骤一，设计陶瓷铸型；
按照铸造工艺要求确定铸型为2个涡轮叶片零件组成模组、叶尖朝下、顶注式浇注结构，采用螺旋选晶器进行选晶，螺旋选晶器的主要参数为：引晶段高度30mm、引晶段直径17mm、螺旋通道直径为5mm、螺旋升角为20°、螺径为14mm，铸型初始壁厚为7mm；使用ug三维建模软件进行零件陶瓷铸型建模；使用procast铸造模拟软件模拟分析1550℃浇注温度、1550℃铸型温度、3-5mm/min抽拉速率条件下陶瓷铸型应力、温度场、晶体生长情况，根据模拟结果对陶瓷铸型进行设计迭代；在满足铸型强度的情况下采取变壁厚的方法优化传热特性，最终得到定向凝固温度场均匀并且铸造缺陷少的陶瓷铸型结构及设计参数，建立陶瓷铸型三维模型，示意图见图1。
步骤二，配制陶瓷浆料；
将光敏树脂及分散剂采用机械搅拌方式均匀混合，搅拌过程中逐渐加入陶瓷粉体及烧结助剂，最后采用球磨方法使固相分散均匀。其中，陶瓷粉体主要为氧化钙，采用四级颗粒级配，平均粒径分别为2μm、5μm、40μm、100μm，陶瓷固相体积分数为60％；烧结助剂含量为陶瓷粉体的0.5wt.％～2wt.％；分散剂含量为陶瓷粉体的0.5wt.％～2wt.％；其余为液态uv光敏树脂。均匀混合后真空除气，得到光敏树脂基陶瓷浆料。
步骤三，制备陶瓷铸型素坯；
将设计好的陶瓷铸型三维模型转换为stl格式，使用magics软件进行分层切片，分层厚度50μm，并确定成型取向及加支撑处理，得到光固化成型机用数据；使用基于面曝光法的光固化快速成型机，将配制好的陶瓷浆料加入成型机的液槽内，进行陶瓷铸型素坯的制备。
步骤四，陶瓷铸型素坯后处理；
用工业酒精清洗步骤三制备的陶瓷铸型素坯，置于后处理光固化箱中进一步固化3h，然后置于干燥箱内在40℃保温5h使残留的液态有机物挥发；人工去除支撑并光整内腔表面；在高温烧结炉内600℃温度范围内保温6h，脱除有机物。
步骤五，高温烧结得到陶瓷铸型；
在高温烧结炉中，按照预定升温工艺，在1500℃完成步骤四制备的陶瓷铸型素坯的高温烧结，得到用于单晶高温合金零件精密铸造的陶瓷铸型。
步骤六，陶瓷铸型的防水化处理；
将步骤五制备的陶瓷铸型置于200℃的二氧化碳气氛箱中，在铸型表面原位生成致密的碳酸钙层，防止水化。
实施例2：
步骤一，按照铸造工艺要求确定总体结构、浇注系统、选晶系统、铸型壁厚的基本参数；使用三维cad建模软件进行零件陶瓷铸型建模；使用procast铸造模拟软件对浇注温度、铸型温度、抽拉速率条件下陶瓷铸型应力、温度场、晶体生长进行模拟分析，根据模拟结果对陶瓷铸型进行设计迭代；最终得到定向凝固温度场均匀，并且铸造缺陷少的陶瓷铸型结构及设计参数，建立陶瓷铸型三维模型；
步骤二，将光敏树脂及分散剂采用机械搅拌方式均匀混合，搅拌过程中逐渐加入陶瓷粉体及烧结助剂，最后采用球磨方法使固相分散均匀；
其中，陶瓷粉体的体积分数占陶瓷浆料总体积的60％；烧结助剂含量为陶瓷粉体质量百分比的2％；分散剂含量为陶瓷粉体质量百分比的2％；其余为液态uv光敏树脂，均匀混合后真空除气，得到光敏树脂基陶瓷浆料；
步骤三，将步骤一中的陶瓷铸型三维模型转换为stl格式，按照零件最小特征要求确定分层厚度并进行分层切片，分层厚度100μm，确定成型取向并加支撑处理，得到光固化成型机用数据；使用基于面曝光法的光固化快速成型机，将步骤二中配制的陶瓷浆料加入成型机的液槽内，进行陶瓷铸型素坯的制备；
步骤四，对陶瓷铸型素坯进行后处理，用工业酒精清洗步骤三中制备的陶瓷铸型素坯，置于后处理光固化箱中进一步固化5h，然后置于干燥箱内在50℃内保温10h使残留的液态有机物挥发，人工去除支撑并光整内腔表面，在高温烧结炉内900℃温度范围内保温3h脱除有机物；
步骤五，在高温烧结炉中，按照预定升温工艺，在1700℃完成步骤四中制备的陶瓷铸型素坯的高温烧结，得到面向单晶高温合金零件陶瓷铸型，将陶瓷铸型置于300℃的二氧化碳气氛箱中，在铸型表面原位生成致密的碳酸钙层。
陶瓷粉体主要为氧化钙，粒径为0.1μm、5μm、40μm、100μm级配混合粉体。
实施例3：
步骤一，按照铸造工艺要求确定总体结构、浇注系统、选晶系统、铸型壁厚的基本参数；使用三维cad建模软件进行零件陶瓷铸型建模；使用procast铸造模拟软件对浇注温度、铸型温度、抽拉速率条件下陶瓷铸型应力、温度场、晶体生长进行模拟分析，根据模拟结果对陶瓷铸型进行设计迭代；最终得到定向凝固温度场均匀，并且铸造缺陷少的陶瓷铸型结构及设计参数，建立陶瓷铸型三维模型；
步骤二，将光敏树脂及分散剂采用机械搅拌方式均匀混合，搅拌过程中逐渐加入陶瓷粉体及烧结助剂，最后采用球磨方法使固相分散均匀；
其中，陶瓷粉体的体积分数占陶瓷浆料总体积的50％；烧结助剂含量为陶瓷粉体质量百分比的1.3％；分散剂含量为陶瓷粉体质量百分比的1.3％；其余为液态uv光敏树脂，均匀混合后真空除气，得到光敏树脂基陶瓷浆料；
步骤三，将步骤一中的陶瓷铸型三维模型转换为stl格式，按照零件最小特征要求确定分层厚度并进行分层切片，分层厚度60μm，确定成型取向并加支撑处理，得到光固化成型机用数据；使用基于面曝光法的光固化快速成型机，将步骤二中配制的陶瓷浆料加入成型机的液槽内，进行陶瓷铸型素坯的制备；
步骤四，对陶瓷铸型素坯进行后处理，用工业酒精清洗步骤三中制备的陶瓷铸型素坯，置于后处理光固化箱中进一步固化4h，然后置于干燥箱内在45℃温度范围内保温7h使残留的液态有机物挥发，人工去除支撑并光整内腔表面，在高温烧结炉内650℃温度范围内保温5h脱除有机物；
步骤五，在高温烧结炉中，按照预定升温工艺，在1600℃完成步骤四中制备的陶瓷铸型素坯的高温烧结，得到面向单晶高温合金零件陶瓷铸型，将陶瓷铸型置于250℃的二氧化碳气氛箱中，在铸型表面原位生成致密的碳酸钙层。
陶瓷粉体主要为氧化钙，粒径为2μm、5μm、40μm级配混合粉体。
实施例4：
步骤一，按照铸造工艺要求确定总体结构、浇注系统、选晶系统、铸型壁厚的基本参数；使用三维cad建模软件进行零件陶瓷铸型建模；使用procast铸造模拟软件对浇注温度、铸型温度、抽拉速率条件下陶瓷铸型应力、温度场、晶体生长进行模拟分析，根据模拟结果对陶瓷铸型进行设计迭代；最终得到定向凝固温度场均匀，并且铸造缺陷少的陶瓷铸型结构及设计参数，建立陶瓷铸型三维模型；
步骤二，将光敏树脂及分散剂采用机械搅拌方式均匀混合，搅拌过程中逐渐加入陶瓷粉体及烧结助剂，最后采用球磨方法使固相分散均匀；
其中，陶瓷粉体的体积分数占陶瓷浆料总体积的40％；烧结助剂含量为陶瓷粉体质量百分比的0.5％；分散剂含量为陶瓷粉体质量百分比的0.5％；其余为液态uv光敏树脂，均匀混合后真空除气，得到光敏树脂基陶瓷浆料；
步骤三，将步骤一中的陶瓷铸型三维模型转换为stl格式，按照零件最小特征要求确定分层厚度并进行分层切片，分层厚度20μm，确定成型取向并加支撑处理，得到光固化成型机用数据；使用基于面曝光法的光固化快速成型机，将步骤二中配制的陶瓷浆料加入成型机的液槽内，进行陶瓷铸型素坯的制备；
步骤四，对陶瓷铸型素坯进行后处理，用工业酒精清洗步骤三中制备的陶瓷铸型素坯，置于后处理光固化箱中进一步固化3h，然后置于干燥箱内在40℃温度范围内保温5h使残留的液态有机物挥发，人工去除支撑并光整内腔表面，在高温烧结炉内600℃保温3h脱除有机物；
步骤五，在高温烧结炉中，按照预定升温工艺，在1500℃完成步骤四中制备的陶瓷铸型素坯的高温烧结，得到面向单晶高温合金零件陶瓷铸型，将陶瓷铸型置于200℃的二氧化碳气氛箱中，在铸型表面原位生成致密的碳酸钙层。
陶瓷粉体主要为氧化钙，粒径为0.1μm、5μm、40μm级配混合粉体。