一種多功能高梯度真空感應(yīng)定向凝固單晶鑄造爐的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及單晶爐技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于航空航天和地面燃?xì)鉁u輪葉片、導(dǎo)向葉片生產(chǎn)；具體是一種多功能高梯度真空感應(yīng)定向凝固單晶鑄造爐。
【背景技術(shù)】
[0002]—、隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)及工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，要求不斷提高渦輪前的進(jìn)口溫度，以增大推力，提高效力，降低油耗。這就對(duì)高溫合金及工藝提出更高的要求。航空和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，一直依賴于高溫合金性能的提高，同時(shí)也推動(dòng)著高溫合金的發(fā)展。定向凝固高溫合金(包括柱狀晶高溫合金和單晶高溫合金)正是為滿足上述要求而研發(fā)出的新型高溫么全々一口 W~.0
[0003]定向凝固高溫合金是在定向凝固技術(shù)進(jìn)步基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。所謂定向就是在真空狀態(tài)下高溫合金熔體在鑄型中凝固時(shí)，通過一定的控制，生成幾乎相互平行的柱狀晶或單晶。如果用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，經(jīng)過定向凝固，其結(jié)晶方向與葉片所受應(yīng)力平行，這時(shí)葉片受力或耐溫的能力就大大提高。為獲得具有單向結(jié)晶結(jié)構(gòu)的高溫合金葉片，國內(nèi)外無一不是采用真空感應(yīng)定向凝固鑄造爐進(jìn)行生產(chǎn)高溫合金航空鑄造葉片和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)定向凝固葉片。
[0004]二、國內(nèi)外概況及發(fā)展趨勢(shì)
[0005]作為一種專門用于生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)高溫合金葉片的真空感應(yīng)定向凝固鑄造爐，國產(chǎn)定向凝固爐一般集中在科研院所的少數(shù)幾個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠，作新機(jī)研制葉片試驗(yàn)用，爐型小，功能少，溫度梯度少，自動(dòng)化程度低，操作不便，產(chǎn)品質(zhì)量的復(fù)制性差，很不適應(yīng)工廠的規(guī)模化生產(chǎn)。國家引進(jìn)和發(fā)展的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，其中的關(guān)鍵熱端部件渦輪葉片和導(dǎo)向葉片，幾乎全部采用先進(jìn)的高溫合金定向凝固柱狀晶葉片和單晶葉片。為滿足新機(jī)研制和生產(chǎn)的需要，設(shè)備大多從國外引進(jìn)，如德國生產(chǎn)的AID真空感應(yīng)定向凝固爐，萊寶公司ISP2/II1-EDS真空感應(yīng)定向凝固爐；以及奧地利KOPP公司的真空感應(yīng)爐；俄羅斯的YBHK-8N，LMC真空感應(yīng)定向凝固爐等。
[0006]定向凝固柱狀晶葉片和單晶葉片的生產(chǎn)過程控制復(fù)雜，周期長。產(chǎn)量低。隨著先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備少量的引進(jìn)，必然不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要。如果能提供一種多功能高梯度，產(chǎn)品質(zhì)量重復(fù)性好的，適合于工廠規(guī)模化生產(chǎn)的國產(chǎn)真空感應(yīng)定向凝固爐，將會(huì)取得顯著地社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
[0007]現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片一般采用單晶高溫合金，而導(dǎo)向葉片一般采用定向柱狀晶或單晶高溫合金。真空感應(yīng)定向凝固鑄造爐，根據(jù)鑄模型殼精鑄工藝的區(qū)別既可以用來生產(chǎn)高溫合金定向凝固柱晶葉片又可以生產(chǎn)單晶葉片。定向凝固是目前工程葉片制備的主要技術(shù)，其中主要是水冷結(jié)晶快速定向凝固技術(shù)(HRS)和液態(tài)金屬冷卻(LME)定向凝固工藝。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]—般的真空感應(yīng)定向凝固只具備單一功能，且溫度梯度小，最高溫度低，爐內(nèi)溫度上升速度緩慢，溫度檢測點(diǎn)少。在后期冷卻過程中，溫度下降緩慢。
[0009]為解決上述問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種多功能高梯度真空感應(yīng)定向凝固單晶鑄造爐。
[0010]為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的所采用的技術(shù)方案是:
[0011]—種多功能高梯度真空感應(yīng)定向凝固單晶鑄造爐，包括爐體、熔煉裝置、熔煉室真空抽氣系統(tǒng)，鑄模室真空抽氣系統(tǒng)、熔煉電源裝置、水冷系統(tǒng)；所述爐體為立式結(jié)構(gòu)由熔煉室和鑄模室焊接一體組成；所述熔煉裝置設(shè)置于熔煉室的側(cè)門上；所述熔煉室真空抽氣系統(tǒng)與熔煉室無縫連接；所述鑄模室真空抽氣系統(tǒng)與鑄模室無縫連接；所述熔煉電源裝置與熔煉裝置連接；所述水冷系統(tǒng)與鑄模室連接。
[0012]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0013]1、本實(shí)用新型單晶鑄造爐實(shí)現(xiàn)熔煉澆注的方式:除了傳統(tǒng)翻轉(zhuǎn)式坩禍的定向凝固或單晶葉片生產(chǎn)外，還可以進(jìn)行底注式定向澆注，底注式坩禍澆注所生產(chǎn)的葉片，合金的純凈度高，葉片質(zhì)量好。合金液中的非金屬雜質(zhì)比重輕，一般浮在液面。澆注最后都集聚在鑄件的澆注系統(tǒng)內(nèi)，因而鑄件產(chǎn)品是純凈的，冶金質(zhì)量是優(yōu)良的，這一澆注方式也為設(shè)備自動(dòng)化程度的提高提供了條件。
[0014]本實(shí)用新型的單晶鑄造爐既可以水冷結(jié)晶快速定向凝固技術(shù)(HRS)又可使用液態(tài)金屬冷卻(LMC)定向凝固工藝。目前在工業(yè)上成熟應(yīng)用的大多是HRS工藝，該方法基于Bridgman鑄型移出技術(shù)，利用輻射擋板來隔離爐子的冷熱區(qū)，從而有效地提高了溫度梯度，HRS定向凝固技術(shù)上具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，工藝問道成熟。由于是利用水冷結(jié)晶器，冷卻效果有限，特別適合制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的小型鑄件。
[0015]2、本實(shí)用新型的單晶鑄造爐實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬冷卻(LMC)方法是通過鑄模浸入低熔點(diǎn)液態(tài)金屬(SN或AL液)其對(duì)流換熱比真空輻射散熱更有效，LMC技術(shù)由于葉片零件始終浸在液態(tài)金屬中，冷卻效果比較穩(wěn)定，溫度梯度是HRS技術(shù)的幾倍，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率將獲得極大的提高。由于液態(tài)金屬冷卻(LMC)高梯度定向凝固技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，大尺寸工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)(IGT)葉片的制備和生產(chǎn)，只有通過液態(tài)金屬冷卻(LMC)高梯度定向凝固技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。
[0016]3、本實(shí)用新型的單晶鑄造爐中實(shí)現(xiàn)高梯度HRS定向凝固技術(shù)的設(shè)計(jì)，用水做冷卻劑的HRS定向凝固技術(shù)，溫度梯度不高，在生產(chǎn)葉片的有效長度內(nèi)，溫度梯度一般平均為30-50°C/cm，本實(shí)用新型通過以下三個(gè)措施保溫爐設(shè)置雙區(qū)感應(yīng)加熱線圈合金液態(tài)澆入鑄模后，上下兩個(gè)不同匝數(shù)的線圈形成不同的溫度場。上區(qū)溫度保持一般的過熱度，在下區(qū)很窄的范圍內(nèi)提高合金液的溫度，由于接近定向凝固結(jié)晶的前沿，因此提高了溫度梯度柱狀結(jié)晶致密，形成高品質(zhì)葉片。
[0017]4、本實(shí)用新型的單晶鑄造爐中在加熱保溫器與水冷結(jié)晶區(qū)之間采用復(fù)合式輻射擋板。一種屏蔽熱效果甚佳的復(fù)合式輻射擋板將合金液的熱區(qū)與已形成柱狀晶或單晶體鑄件的熱量很快通過水冷爐壁導(dǎo)走。輻射擋板與鑄模之間的縫隙，在滿足鑄模能順利通過的條件下越小越好，最大限度地發(fā)揮復(fù)合式擋板的屏蔽作用。
[0018]本實(shí)用新型的單晶鑄造爐中具有特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水冷結(jié)晶器和冷卻水套。水冷結(jié)晶端面支撐底面開口的鑄型，澆注合金液后，直接與水冷結(jié)晶器接觸，結(jié)晶器內(nèi)部經(jīng)過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，冷卻效果有了很大的改善。在輻射擋板下部加了冷卻水套，以加強(qiáng)剛凝固金屬的冷卻，促進(jìn)散熱，可以提高凝固前沿的溫度梯度。通過以上的措施，使HRS定向凝固技術(shù)的溫度梯度達(dá)到了 70-80°C /cm，鑄造定向凝固葉片的長度突破200mm，達(dá)到300-400mm。
[0019]5、本實(shí)用新型的單晶鑄造爐中HRS定向凝固技術(shù)的自動(dòng)控制，設(shè)備工作過程采用可編程控制器，整個(gè)工作過程進(jìn)行連鎖控制，設(shè)置觸摸屏，通過和PLC、溫控表通訊，用視頻(畫面)顯示整個(gè)爐子的控制過程，對(duì)爐子在觸摸屏上進(jìn)行直接操作。HRS定向凝固技術(shù)關(guān)鍵結(jié)晶部位共設(shè)有30多個(gè)測溫點(diǎn)，實(shí)施對(duì)產(chǎn)品的定向凝固過程進(jìn)行全程監(jiān)控，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的復(fù)制性和品質(zhì)的提尚。
[0020]6、本實(shí)用新型提供了的單晶鑄造爐，既可以用HRS定向凝固技術(shù)生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)定向凝固柱狀晶葉片和單晶葉片，也可用LMC定向凝固技術(shù)生產(chǎn)大尺寸工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)定向凝固柱狀晶葉片和單晶葉片，這是一臺(tái)綜合型的真空感應(yīng)熔煉爐，還可以進(jìn)行普通等軸晶鑄件的真空澆注，具有翻轉(zhuǎn)式坩禍，還有底注式澆注，屬于多功能創(chuàng)新的真空感應(yīng)熔煉鑄造爐。
【附圖說明】
[0021]圖1是本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)主視圖。
[0022]圖2是本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)左視圖。
[0023]圖3是本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]結(jié)合說明書附圖1-3及附圖標(biāo)記對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025]—種多功能高梯度真空感應(yīng)定向凝固單晶鑄造爐，包括爐體1、熔煉裝置4、熔煉室真空抽氣系統(tǒng)10，鑄模室真空抽氣系統(tǒng)11、熔煉電源裝置9、水冷系統(tǒng)17 ;所述爐體I為立式結(jié)構(gòu)由熔煉室2和鑄模室3焊接一體組成；熔煉室2和鑄模室3之間設(shè)有隔離閥6，該隔離閥6采用翻板閥結(jié)構(gòu)；爐體I內(nèi)壁、外壁及其法蘭均為304不銹鋼，內(nèi)壁經(jīng)過精細(xì)拋光，便于清除灰塵。
[0026]所述熔煉裝置4設(shè)置于熔煉室2的側(cè)門上；所述熔煉室真空抽氣系統(tǒng)10與熔煉室2無縫連接；所述鑄模室真空抽氣系統(tǒng)11與鑄模室3無縫連接；所述熔煉電源裝置9與熔煉裝置4連接；所述水冷系統(tǒng)17與鑄模室3連接。
[0027]熔煉室2為長方形箱體，壁厚12臟，水套距離為35臟，爐體I的熔煉室2上部設(shè)有兩個(gè)多位觀察窗20，設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)塔，轉(zhuǎn)塔由加料裝置7和測溫裝置8組成；轉(zhuǎn)塔與爐體I的恪煉室2間設(shè)有水冷插板閥，還設(shè)有一個(gè)保溫爐蓋板19 ;恪煉室2設(shè)有爐門通過鉸鏈與側(cè)壁相連，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)打開，爐門內(nèi)壁設(shè)水冷結(jié)構(gòu)，在爐門上設(shè)有方形的熔煉裝置4接口 ；熔煉室2內(nèi)部安裝有保溫爐。
[0028]鑄模室3為U型中通的雙層水冷結(jié)構(gòu)；壁厚為10mm，水套夾層為25mm，鑄模室3與熔煉室2之間設(shè)有翻板閥，鑄模室3設(shè)有側(cè)開爐門，爐門的下方焊接有一條擋渣板，以防止?jié)沧r(shí)飛濺出的金屬渣燙傷密封面和膠圈。
[0029]熔煉裝置4包括感應(yīng)器、側(cè)板和支架；感應(yīng)器、側(cè)板和支架采用不銹鋼和銅構(gòu)件制做，支架上設(shè)有滑軌、潤滑機(jī)構(gòu)及水冷機(jī)構(gòu)，用于坩禍的翻轉(zhuǎn)澆注及水平移動(dòng)；翻轉(zhuǎn)、移動(dòng)速度可以調(diào)節(jié)，感應(yīng)器的回水口設(shè)有溫度傳感器，檢測水溫。
[0030]熔煉室真空抽氣系統(tǒng)10包括通過真空管道連接在一起的一臺(tái)油增擴(kuò)栗、兩臺(tái)羅茨栗以及一臺(tái)滑閥栗，在真空管道上設(shè)有6個(gè)高真空氣動(dòng)蝶閥；真空管道為304不銹鋼材質(zhì)，設(shè)有放氣閥、除塵網(wǎng)、真空測量傳感器；鑄模室真空抽氣系統(tǒng)11包括通過真空管道連接在一起的2臺(tái)羅茨栗和3臺(tái)滑閥栗；在真空管道上設(shè)有7個(gè)高真空氣動(dòng)蝶閥。
[0031]水冷系統(tǒng)17由冷卻水控制箱、管路及應(yīng)急水轉(zhuǎn)換閥組成；所述控制箱上裝有分水器、電接點(diǎn)水溫表、電接點(diǎn)壓