工程型高温度梯度单晶炉研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)锦州锦开电器集团有限责任公司 作者:佟勃勇

  介绍了新型工程型高温度梯度单晶炉研制开发的项目背景,主要研发内容及技术指标,创新性和达到的技术水平,产品采标,应用领域及应用情况,产品经济和社会效益情况,对推动产业发展或行业技术进步的意义。

1、项目背景

  定向凝固单晶技术进入航空制造工业已有三十多年历史,为提高航空燃气涡轮发动机单晶叶片的性能和使用寿命做出了巨大贡献。国内外近年来研究发现,进一步提高凝固前沿的温度梯度,不仅可提高生产率,而且可显著提高单晶叶片的性能。我国从事单晶技术的研究也有二十多年的历史,但是,由于设备落后,自动化程度低,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为在一定程度上影响了单晶技术的进行和单晶叶片的应用进程。新型单晶炉结合国内外配套条件,突破主要技术关键,如设计先进的模壳加热方式和水冷结晶器,实现高温度梯度和计算机PLC 控制等,产成品率及生产效率提高1 倍,使之成为先进的机、电、炉一体化设备,技术水平居于国内领先水平。

  工程型高温度梯度单晶炉图示于图1、图2。

工程型高温度梯度单晶炉

图1 工程型高温度梯度单晶炉

工程型高温度梯度单晶炉

图2 工程型高温度梯度单晶炉

2、主要研制开发内容

  ZGID0.015-160-2.5A 工程型高温度梯度单晶炉是在真空状态下浇注飞机发动机单晶叶片,具有自我创新的专用设备。它是在真空状态下通过感应加热把金属熔化,然后将金属液浇注到预热的模壳内,模壳在做向下抽拉运动过程中严格控制向下抽拉速度,并利用双区加热及控制双区温度,再用水冷环和结晶器冷却等方式,产生较大温度梯度的特殊工艺条件,最终生产出理想的单晶叶片。

  本设备炉体采用三室立式结构,上部为转塔加料和测温装置,中部为熔炼保温室,下部为铸型室,炉体材料全部采用304 不锈钢,提高了使用寿命。在熔炼室和铸型室之间,采用翻板阀代替了转阀隔开,增加了运行的可靠性。

  抽拉系统选用德国产滚珠丝杠、韩国产光杠,并选用德国西门子的伺服电机驱动,由计算机.PLC实现闭环控制,使运行灵活,稳定,控制精度高。模壳加热采用上、下两区加热,并强化下区加热,大大提高下区的温度,使下区温度达到1600 ℃,比单区加热的温度提高了100 ℃,从而达到了产生高温度梯度的目的。

  对水冷结晶器水道设计进行改进,增大了出口直径,提高了冷却速度,更利于提高温度梯度。总之,通过突破以上的技术关键,既提高了温度梯度,又保证了工作的可靠性,使该设备具有了自动化程度高、精度高、稳定可靠、操控性好等特点。

3、主要技术经济指标、创新性和达到的技术水平

  3.1、主要技术经济指标与国外几种工业型单晶炉的比较:见表1

表1 主要技术经济指标与国外几种工业型单晶炉的比较

主要技术经济指标与国外几种工业型单晶炉的比较

  3.2、创新性和达到的技术水平

  ZGID0.015-160-2.5A 工程型高温度梯度单晶炉采用三室半连续结构,进出料方式为上进下出。优点是在不破坏熔炼室真空度的情况下能够加料,也能够放入或取出模壳,所以极大地缩短了工作周期,提高了生产率,延长坩埚的使用寿命。为了提高设备性能,提高生产效率及生产的产品合格率,本设备进行了多项设计创新及设计改进。

  1.炉体的三室全部采用304 不锈钢制造,增强耐受电化学腐蚀的能力,提高了设备使用寿命1倍,并且对外表面进行微型玻珠流体喷丸处理,提高了产品的美观度。熔炼保温室和铸型室为U 型壳结构,这样结构布局合理,容易操作,检修方便。为确保其强度,进行了大量的强度分析计算,稳定的机架结构设计,增强了设备的抗振能力,减少了设备振动对晶体生长的影响。

  炉体设计预留了三区加热接口,为研制三区加热单晶炉提供了条件。

  炉门由原来的平面结构改为曲面结构,可防止炉门因受热变形。

  炉体系统图示于图3。

工程型高温度梯度单晶炉研制

图3 炉体系统

5、应用领域及应用情况

  ZGID0.015-160-2.5A 工程型高温度梯度单晶炉,是生产单晶叶片的专用设备。国外的单晶炉目前已十分普遍而大量地用来生产先进的航空和地面燃气涡轮工作叶片及导向叶片。美国的惠普公司,英国的罗·罗公司研制的单晶叶片已广泛投入航线,服务于军用和民用发动机。当前从德国ALD公司引进一台两区加热的单晶炉需要1300 万元人民币,而我们自行研制的单晶炉只需要300 万元人民币。该产品得到了用户的充分肯定,该设备在航空发动机生产企业得到广泛关注,也必将为我国航空事业的快速发展发挥关键作用。

6、产品经济效益和社会效益情况

  ZGID0.015-160-2.5A 工程型高温度梯度单晶炉从产品开发到市场推广本着:新产品、新思路、新营销这一全新理念,坚持以市场为导向,全力打造市场,对产品更是精益求精,直面高端市场的需求,创造了新的经济增长点。

  本产品是生产单晶叶片的专用设备,单晶叶片在强度上要远强于普通叶片,尤其在高温情况下,效果更为显著。单晶叶片因为制造成品率低(以往为10%~30%)的问题,始终无法批量生产,无法满足国内的需求。这种新型的单晶炉是航空业重点关注项目,经过优化设计、采用新技术新工艺、大胆进行技术创新,使单晶叶片的制造成品率至少提高了十个百分点,并提高了叶片的使用寿命,节省了大量稀有金属材料,实现了可观的社会效益。

7、对推动产业发展或行业技术进步

  当前国家对自主研制飞机发动机有着迫切的需求,国内对单晶炉的需求也将日趋强烈;同时提高单晶叶片的制造成品率也是当前迫切需要解决的问题,这就使设计制造高性能、较高成品率且售价低廉的单晶炉产品有了广阔的发展空间,必将带动国内单晶炉行业新一轮技术革新浪潮,推动真空炉行业的发展。

8、结论

  ZGID0.015-160-2.5A 工程型高温度梯度单晶炉经安装、调试及工艺和运行试验,试制出合格的单晶叶片,通过了用户最终验收。并以其该单晶炉综合性能具有国内领先水平和其突出的先进性和创新性,通过了省级新产品(新技术)鉴定,综合性能具有国内领先水平,操作方便,实用性强,具有与国外进口同类设备的价格优势,有着十分广泛的推广价值。

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