一種多功能高梯度真空感應定向凝固單晶鑄造爐的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及單晶爐技術領域，主要應用于航空航天和地面燃氣渦輪葉片、導向葉片生產；具體是一種多功能高梯度真空感應定向凝固單晶鑄造爐。
【背景技術】
[0002]—、隨著航空發動機及工業燃氣輪機的發展，要求不斷提高渦輪前的進口溫度，以增大推力，提高效力，降低油耗。這就對高溫合金及工藝提出更高的要求。航空和工業燃氣輪機的發展，一直依賴于高溫合金性能的提高，同時也推動著高溫合金的發展。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進步基礎上發展起來的。所謂定向就是在真空狀態下高溫合金熔體在鑄型中凝固時，通過一定的控制，生成幾乎相互平行的柱狀晶或單晶。如果用于航空發動機和工業燃氣輪機的葉片，經過定向凝固，其結晶方向與葉片所受應力平行，這時葉片受力或耐溫的能力就大大提高。為獲得具有單向結晶結構的高溫合金葉片，國內外無一不是采用真空感應定向凝固鑄造爐進行生產高溫合金航空鑄造葉片和工業燃氣輪機定向凝固葉片。
[0004]二、國內外概況及發展趨勢
[0005]作為一種專門用于生產航空發動機和工業燃氣輪機高溫合金葉片的真空感應定向凝固鑄造爐，國產定向凝固爐一般集中在科研院所的少數幾個航空發動機廠，作新機研制葉片試驗用，爐型小，功能少，溫度梯度少，自動化程度低，操作不便，產品質量的復制性差，很不適應工廠的規模化生產。國家引進和發展的航空發動機和工業燃氣輪機，其中的關鍵熱端部件渦輪葉片和導向葉片，幾乎全部采用先進的高溫合金定向凝固柱狀晶葉片和單晶葉片。為滿足新機研制和生產的需要，設備大多從國外引進，如德國生產的AID真空感應定向凝固爐，萊寶公司ISP2/II1-EDS真空感應定向凝固爐；以及奧地利KOPP公司的真空感應爐；俄羅斯的YBHK-8N，LMC真空感應定向凝固爐等。
[0006]定向凝固柱狀晶葉片和單晶葉片的生產過程控制復雜，周期長。產量低。隨著先進航空發動機和工業燃氣輪機制造技術的進步，設備少量的引進，必然不能滿足生產發展的需要。如果能提供一種多功能高梯度，產品質量重復性好的，適合于工廠規模化生產的國產真空感應定向凝固爐，將會取得顯著地社會經濟效益。
[0007]現代航空發動機和工業燃氣輪機渦輪葉片一般采用單晶高溫合金，而導向葉片一般采用定向柱狀晶或單晶高溫合金。真空感應定向凝固鑄造爐，根據鑄模型殼精鑄工藝的區別既可以用來生產高溫合金定向凝固柱晶葉片又可以生產單晶葉片。定向凝固是目前工程葉片制備的主要技術，其中主要是水冷結晶快速定向凝固技術(HRS)和液態金屬冷卻(LME)定向凝固工藝。
【實用新型內容】
[0008]—般的真空感應定向凝固只具備單一功能，且溫度梯度小，最高溫度低，爐內溫度上升速度緩慢，溫度檢測點少。在后期冷卻過程中，溫度下降緩慢。
[0009]為解決上述問題，本實用新型的目的是提供一種多功能高梯度真空感應定向凝固單晶鑄造爐。
[0010]為實現本實用新型的目的所采用的技術方案是:
[0011]—種多功能高梯度真空感應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，鑄模室真空抽氣系統、熔煉電源裝置、水冷系統；所述爐體為立式結構由熔煉室和鑄模室焊接一體組成；所述熔煉裝置設置于熔煉室的側門上；所述熔煉室真空抽氣系統與熔煉室無縫連接；所述鑄模室真空抽氣系統與鑄模室無縫連接；所述熔煉電源裝置與熔煉裝置連接；所述水冷系統與鑄模室連接。
[0012]本實用新型的有益效果是:
[0013]1、本實用新型單晶鑄造爐實現熔煉澆注的方式:除了傳統翻轉式坩禍的定向凝固或單晶葉片生產外，還可以進行底注式定向澆注，底注式坩禍澆注所生產的葉片，合金的純凈度高，葉片質量好。合金液中的非金屬雜質比重輕，一般浮在液面。澆注最后都集聚在鑄件的澆注系統內，因而鑄件產品是純凈的，冶金質量是優良的，這一澆注方式也為設備自動化程度的提高提供了條件。
[0014]本實用新型的單晶鑄造爐既可以水冷結晶快速定向凝固技術(HRS)又可使用液態金屬冷卻(LMC)定向凝固工藝。目前在工業上成熟應用的大多是HRS工藝，該方法基于Bridgman鑄型移出技術，利用輻射擋板來隔離爐子的冷熱區，從而有效地提高了溫度梯度，HRS定向凝固技術上具有設備結構簡單，工藝問道成熟。由于是利用水冷結晶器，冷卻效果有限，特別適合制備航空發動機葉片的小型鑄件。
[0015]2、本實用新型的單晶鑄造爐實現液態金屬冷卻(LMC)方法是通過鑄模浸入低熔點液態金屬(SN或AL液)其對流換熱比真空輻射散熱更有效，LMC技術由于葉片零件始終浸在液態金屬中，冷卻效果比較穩定，溫度梯度是HRS技術的幾倍，產品質量和生產率將獲得極大的提高。由于液態金屬冷卻(LMC)高梯度定向凝固技術的獨特優勢，大尺寸工業燃氣輪機(IGT)葉片的制備和生產，只有通過液態金屬冷卻(LMC)高梯度定向凝固技術才能實現。
[0016]3、本實用新型的單晶鑄造爐中實現高梯度HRS定向凝固技術的設計，用水做冷卻劑的HRS定向凝固技術，溫度梯度不高，在生產葉片的有效長度內，溫度梯度一般平均為30-50°C/cm，本實用新型通過以下三個措施保溫爐設置雙區感應加熱線圈合金液態澆入鑄模后，上下兩個不同匝數的線圈形成不同的溫度場。上區溫度保持一般的過熱度，在下區很窄的范圍內提高合金液的溫度，由于接近定向凝固結晶的前沿，因此提高了溫度梯度柱狀結晶致密，形成高品質葉片。
[0017]4、本實用新型的單晶鑄造爐中在加熱保溫器與水冷結晶區之間采用復合式輻射擋板。一種屏蔽熱效果甚佳的復合式輻射擋板將合金液的熱區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，最大限度地發揮復合式擋板的屏蔽作用。
[0018]本實用新型的單晶鑄造爐中具有特殊結構設計的水冷結晶器和冷卻水套。水冷結晶端面支撐底面開口的鑄型，澆注合金液后，直接與水冷結晶器接觸，結晶器內部經過特殊結構設計，冷卻效果有了很大的改善。在輻射擋板下部加了冷卻水套，以加強剛凝固金屬的冷卻，促進散熱，可以提高凝固前沿的溫度梯度。通過以上的措施，使HRS定向凝固技術的溫度梯度達到了 70-80°C /cm，鑄造定向凝固葉片的長度突破200mm，達到300-400mm。
[0019]5、本實用新型的單晶鑄造爐中HRS定向凝固技術的自動控制，設備工作過程采用可編程控制器，整個工作過程進行連鎖控制，設置觸摸屏，通過和PLC、溫控表通訊，用視頻(畫面)顯示整個爐子的控制過程，對爐子在觸摸屏上進行直接操作。HRS定向凝固技術關鍵結晶部位共設有30多個測溫點，實施對產品的定向凝固過程進行全程監控，以保證產品質量的復制性和品質的提尚。
[0020]6、本實用新型提供了的單晶鑄造爐，既可以用HRS定向凝固技術生產航空發動機定向凝固柱狀晶葉片和單晶葉片，也可用LMC定向凝固技術生產大尺寸工業燃氣輪機定向凝固柱狀晶葉片和單晶葉片，這是一臺綜合型的真空感應熔煉爐，還可以進行普通等軸晶鑄件的真空澆注，具有翻轉式坩禍，還有底注式澆注，屬于多功能創新的真空感應熔煉鑄造爐。
【附圖說明】
[0021]圖1是本實用新型整體結構主視圖。
[0022]圖2是本實用新型整體結構左視圖。
[0023]圖3是本實用新型整體結構俯視圖。
【具體實施方式】
[0024]結合說明書附圖1-3及附圖標記對本實用新型進一步詳細說明。
[0025]—種多功能高梯度真空感應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10，鑄模室真空抽氣系統11、熔煉電源裝置9、水冷系統17 ;所述爐體I為立式結構由熔煉室2和鑄模室3焊接一體組成；熔煉室2和鑄模室3之間設有隔離閥6，該隔離閥6采用翻板閥結構；爐體I內壁、外壁及其法蘭均為304不銹鋼，內壁經過精細拋光，便于清除灰塵。
[0026]所述熔煉裝置4設置于熔煉室2的側門上；所述熔煉室真空抽氣系統10與熔煉室2無縫連接；所述鑄模室真空抽氣系統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上部設有兩個多位觀察窗20，設有一個轉塔，轉塔由加料裝置7和測溫裝置8組成；轉塔與爐體I的恪煉室2間設有水冷插板閥，還設有一個保溫爐蓋板19 ;恪煉室2設有爐門通過鉸鏈與側壁相連，手動旋轉打開，爐門內壁設水冷結構，在爐門上設有方形的熔煉裝置4接口 ；熔煉室2內部安裝有保溫爐。
[0028]鑄模室3為U型中通的雙層水冷結構；壁厚為10mm，水套夾層為25mm，鑄模室3與熔煉室2之間設有翻板閥，鑄模室3設有側開爐門，爐門的下方焊接有一條擋渣板，以防止澆注時飛濺出的金屬渣燙傷密封面和膠圈。
[0029]熔煉裝置4包括感應器、側板和支架；感應器、側板和支架采用不銹鋼和銅構件制做，支架上設有滑軌、潤滑機構及水冷機構，用于坩禍的翻轉澆注及水平移動；翻轉、移動速度可以調節，感應器的回水口設有溫度傳感器，檢測水溫。
[0030]熔煉室真空抽氣系統10包括通過真空管道連接在一起的一臺油增擴栗、兩臺羅茨栗以及一臺滑閥栗，在真空管道上設有6個高真空氣動蝶閥；真空管道為304不銹鋼材質，設有放氣閥、除塵網、真空測量傳感器；鑄模室真空抽氣系統11包括通過真空管道連接在一起的2臺羅茨栗和3臺滑閥栗；在真空管道上設有7個高真空氣動蝶閥。
[0031]水冷系統17由冷卻水控制箱、管路及應急水轉換閥組成；所述控制箱上裝有分水器、電接點水溫表、電接點壓