工程型高溫度梯度單晶爐研制
介紹了新型工程型高溫度梯度單晶爐研制開(kāi)發(fā)的項目背景，主要研發(fā)內容及技術(shù)指標，創(chuàng )新性和達到的技術(shù)水平，產(chǎn)品采標，應用領(lǐng)域及應用情況，產(chǎn)品經(jīng)濟和社會(huì )效益情況，對推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展或行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的意義。
1、項目背景
定向凝固單晶技術(shù)進(jìn)入航空制造工業(yè)已有三十多年歷史，為提高航空燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機單晶葉片的性能和使用壽命做出了巨大貢獻。國內外近年來(lái)研究發(fā)現，進(jìn)一步提高凝固前沿的溫度梯度，不僅可提高生產(chǎn)率，而且可顯著(zhù)提高單晶葉片的性能。我國從事單晶技術(shù)的研究也有二十多年的歷史，但是，由于設備落后，自動(dòng)化程度低，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為在一定程度上影響了單晶技術(shù)的進(jìn)行和單晶葉片的應用進(jìn)程。新型單晶爐結合國內外配套條件，突破主要技術(shù)關(guān)鍵，如設計先進(jìn)的模殼加熱方式和水冷結晶器，實(shí)現高溫度梯度和計算機PLC 控制等，產(chǎn)成品率及生產(chǎn)效率提高1 倍，使之成為先進(jìn)的機、電、爐一體化設備，技術(shù)水平居于國內領(lǐng)先水平。
工程型高溫度梯度單晶爐圖示于圖1、圖2。
圖1 工程型高溫度梯度單晶爐
圖2 工程型高溫度梯度單晶爐
2、主要研制開(kāi)發(fā)內容
ZGID0.015-160-2.5A 工程型高溫度梯度單晶爐是在真空狀態(tài)下澆注飛機發(fā)動(dòng)機單晶葉片，具有自我創(chuàng )新的專(zhuān)用設備。它是在真空狀態(tài)下通過(guò)感應加熱把金屬熔化，然后將金屬液澆注到預熱的模殼內，模殼在做向下抽拉運動(dòng)過(guò)程中嚴格控制向下抽拉速度，并利用雙區加熱及控制雙區溫度，再用水冷環(huán)和結晶器冷卻等方式，產(chǎn)生較大溫度梯度的特殊工藝條件，最終生產(chǎn)出理想的單晶葉片。
本設備爐體采用三室立式結構，上部為轉塔加料和測溫裝置，中部為熔煉保溫室，下部為鑄型室，爐體材料全部采用304 不銹鋼，提高了使用壽命。在熔煉室和鑄型室之間，采用翻板閥代替了轉閥隔開(kāi)，增加了運行的可靠性。
抽拉系統選用德國產(chǎn)滾珠絲杠、韓國產(chǎn)光杠，并選用德國西門(mén)子的伺服電機驅動(dòng)，由計算機.PLC實(shí)現閉環(huán)控制，使運行靈活，穩定，控制精度高。模殼加熱采用上、下兩區加熱，并強化下區加熱，大大提高下區的溫度，使下區溫度達到1600 ℃，比單區加熱的溫度提高了100 ℃，從而達到了產(chǎn)生高溫度梯度的目的。
對水冷結晶器水道設計進(jìn)行改進(jìn)，增大了出口直徑，提高了冷卻速度，更利于提高溫度梯度�？傊�，通過(guò)突破以上的技術(shù)關(guān)鍵，既提高了溫度梯度，又保證了工作的可靠性，使該設備具有了自動(dòng)化程度高、精度高、穩定可靠、操控性好等特點(diǎn)。
3、主要技術(shù)經(jīng)濟指標、創(chuàng )新性和達到的技術(shù)水平
3.1、主要技術(shù)經(jīng)濟指標與國外幾種工業(yè)型單晶爐的比較：見(jiàn)表1
表1 主要技術(shù)經(jīng)濟指標與國外幾種工業(yè)型單晶爐的比較
3.2、創(chuàng )新性和達到的技術(shù)水平
ZGID0.015-160-2.5A 工程型高溫度梯度單晶爐采用三室半連續結構，進(jìn)出料方式為上進(jìn)下出。優(yōu)點(diǎn)是在不破壞熔煉室真空度的情況下能夠加料，也能夠放入或取出模殼，所以極大地縮短了工作周期，提高了生產(chǎn)率，延長(cháng)坩堝的使用壽命。為了提高設備性能，提高生產(chǎn)效率及生產(chǎn)的產(chǎn)品合格率，本設備進(jìn)行了多項設計創(chuàng )新及設計改進(jìn)。
1.爐體的三室全部采用304 不銹鋼制造，增強耐受電化學(xué)腐蝕的能力，提高了設備使用壽命1倍，并且對外表面進(jìn)行微型玻珠流體噴丸處理，提高了產(chǎn)品的美觀(guān)度。熔煉保溫室和鑄型室為U 型殼結構，這樣結構布局合理，容易操作，檢修方便。為確保其強度，進(jìn)行了大量的強度分析計算，穩定的機架結構設計，增強了設備的抗振能力，減少了設備振動(dòng)對晶體生長(cháng)的影響。
爐體設計預留了三區加熱接口，為研制三區加熱單晶爐提供了條件。
爐門(mén)由原來(lái)的平面結構改為曲面結構，可防止爐門(mén)因受熱變形。
爐體系統圖示于圖3。
圖3 爐體系統
5、應用領(lǐng)域及應用情況
ZGID0.015-160-2.5A 工程型高溫度梯度單晶爐，是生產(chǎn)單晶葉片的專(zhuān)用設備。國外的單晶爐目前已十分普遍而大量地用來(lái)生產(chǎn)先進(jìn)的航空和地面燃氣渦輪工作葉片及導向葉片。美國的惠普公司，英國的羅·羅公司研制的單晶葉片已廣泛投入航線(xiàn)，服務(wù)于軍用和民用發(fā)動(dòng)機。當前從德國ALD公司引進(jìn)一臺兩區加熱的單晶爐需要1300 萬(wàn)元人民幣，而我們自行研制的單晶爐只需要300 萬(wàn)元人民幣。該產(chǎn)品得到了用戶(hù)的充分肯定，該設備在航空發(fā)動(dòng)機生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛關(guān)注，也必將為我國航空事業(yè)的快速發(fā)展發(fā)揮關(guān)鍵作用。
6、產(chǎn)品經(jīng)濟效益和社會(huì )效益情況
ZGID0.015-160-2.5A 工程型高溫度梯度單晶爐從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到市場(chǎng)推廣本著(zhù)：新產(chǎn)品、新思路、新?tīng)I銷(xiāo)這一全新理念，堅持以市場(chǎng)為導向，全力打造市場(chǎng)，對產(chǎn)品更是精益求精，直面高端市場(chǎng)的需求，創(chuàng )造了新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)。
本產(chǎn)品是生產(chǎn)單晶葉片的專(zhuān)用設備，單晶葉片在強度上要遠強于普通葉片，尤其在高溫情況下，效果更為顯著(zhù)。單晶葉片因為制造成品率低(以往為10%~30%)的問(wèn)題，始終無(wú)法批量生產(chǎn)，無(wú)法滿(mǎn)足國內的需求。這種新型的單晶爐是航空業(yè)重點(diǎn)關(guān)注項目，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計、采用新技術(shù)新工藝、大膽進(jìn)行技術(shù)創(chuàng )新，使單晶葉片的制造成品率至少提高了十個(gè)百分點(diǎn)，并提高了葉片的使用壽命，節省了大量稀有金屬材料，實(shí)現了可觀(guān)的社會(huì )效益。
7、對推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展或行業(yè)技術(shù)進(jìn)步
當前國家對自主研制飛機發(fā)動(dòng)機有著(zhù)迫切的需求，國內對單晶爐的需求也將日趨強烈;同時(shí)提高單晶葉片的制造成品率也是當前迫切需要解決的問(wèn)題，這就使設計制造高性能、較高成品率且售價(jià)低廉的單晶爐產(chǎn)品有了廣闊的發(fā)展空間，必將帶動(dòng)國內單晶爐行業(yè)新一輪技術(shù)革新浪潮，推動(dòng)真空爐行業(yè)的發(fā)展。
8、結論
ZGID0.015-160-2.5A 工程型高溫度梯度單晶爐經(jīng)安裝、調試及工藝和運行試驗，試制出合格的單晶葉片，通過(guò)了用戶(hù)最終驗收。并以其該單晶爐綜合性能具有國內領(lǐng)先水平和其突出的先進(jìn)性和創(chuàng )新性，通過(guò)了省級新產(chǎn)品(新技術(shù))鑒定，綜合性能具有國內領(lǐng)先水平，操作方便，實(shí)用性強，具有與國外進(jìn)口同類(lèi)設備的價(jià)格優(yōu)勢，有著(zhù)十分廣泛的推廣價(jià)值。
