介紹了新型工程型高溫度梯度單晶爐研制開發(fā)的項(xiàng)目背景，主要研發(fā)內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)，創(chuàng)新性和達(dá)到的技術(shù)水平，產(chǎn)品采標(biāo)，應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用情況，產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益情況，對(duì)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(xiàng)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?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片的性能和使用壽命做出了巨大貢獻(xiàn)。國(guó)內(nèi)外近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步提高凝固前沿的溫度梯度，不僅可提高生產(chǎn)率，而且可顯著提高單晶葉片的性能。我國(guó)從事單晶技術(shù)的研究也有二十多年的歷史，但是，由于設(shè)備落后，自動(dòng)化程度低，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)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(yīng)用進(jìn)程。新型單晶爐結(jié)合國(guó)內(nèi)外配套條件，突破主要技術(shù)關(guān)鍵，如設(shè)計(jì)先進(jìn)的模殼加熱方式和水冷結(jié)晶器，實(shí)現(xiàn)高溫度梯度和計(jì)算機(jī)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(jī)、電、爐一體化設(shè)備，技術(shù)水平居于國(guó)內(nèi)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、主要研制開發(fā)內(nèi)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片，具有自我創(chuàng)新的專用設(shè)備。它是在真空狀態(tài)下通過(guò)感應(yīng)加熱把金屬熔化，然后將金屬液澆注到預(yù)熱的模殼內(nèi)，模殼在做向下抽拉運(yùn)動(dòng)過(guò)程中嚴(yán)格控制向下抽拉速度，并利用雙區(qū)加熱及控制雙區(qū)溫度，再用水冷環(huán)和結(jié)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(shè)備爐體采用三室立式結(jié)構(gòu)，上部為轉(zhuǎn)塔加料和測(cè)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(zhuǎn)閥隔開，增加了運(yùn)行的可靠性。

　　抽拉系統(tǒng)選用德國(guó)產(chǎn)滾珠絲杠、韓國(guó)產(chǎn)光杠，并選用德國(guó)西門子的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由計(jì)算機(jī).PLC實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使運(yùn)行靈活，穩(wěn)定，控制精度高。模殼加熱采用上、下兩區(qū)加熱，并強(qiáng)化下區(qū)加熱，大大提高下區(qū)的溫度，使下區(qū)溫度達(dá)到1600 ℃，比單區(qū)加熱的溫度提高了100 ℃，從而達(dá)到了產(chǎn)生高溫度梯度的目的。

　　對(duì)水冷結(jié)晶器水道設(shè)計(jì)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(shè)備具有了自動(dòng)化程度高、精度高、穩(wěn)定可靠、操控性好等特點(diǎn)。

3、主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、創(chuàng)新性和達(dá)到的技術(shù)水平

　　3.1、主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與國(guó)外幾種工業(yè)型單晶爐的比較：見表1

表1 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與國(guó)外幾種工業(yè)型單晶爐的比較

　　3.2、創(chuàng)新性和達(dá)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(xù)結(jié)構(gòu)，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(zhǎng)坩堝的使用壽命。為了提高設(shè)備性能，提高生產(chǎn)效率及生產(chǎn)的產(chǎn)品合格率，本設(shè)備進(jìn)行了多項(xiàng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新及設(shè)計(jì)改進(jìn)。

　　1.爐體的三室全部采用304 不銹鋼制造，增強(qiáng)耐受電化學(xué)腐蝕的能力，提高了設(shè)備使用壽命1倍，并且對(duì)外表面進(jìn)行微型玻珠流體噴丸處理，提高了產(chǎn)品的美觀度。熔煉保溫室和鑄型室為U 型殼結(jié)構(gòu)，這樣結(jié)構(gòu)布局合理，容易操作，檢修方便。為確保其強(qiáng)度，進(jìn)行了大量的強(qiáng)度分析計(jì)算，穩(wěn)定的機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了設(shè)備的抗振能力，減少了設(shè)備振動(dòng)對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響。

　　爐體設(shè)計(jì)預(yù)留了三區(qū)加熱接口，為研制三區(qū)加熱單晶爐提供了條件。

　　爐門由原來(lái)的平面結(jié)構(gòu)改為曲面結(jié)構(gòu)，可防止?fàn)t門因受熱變形。

　　爐體系統(tǒng)圖示于圖3。

圖3 爐體系統(tǒng)

5、應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用情況

　　ZGID0.015-160-2.5A 工程型高溫度梯度單晶爐，是生產(chǎn)單晶葉片的專用設(shè)備。國(guó)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?xì)鉁u輪工作葉片及導(dǎo)向葉片。美國(guó)的惠普公司，英國(guó)的羅·羅公司研制的單晶葉片已廣泛投入航線，服務(wù)于軍用和民用發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)前從德國(guó)ALD公司引進(jìn)一臺(tái)兩區(qū)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)品得到了用戶的充分肯定，該設(shè)備在航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛關(guān)注，也必將為我國(guó)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(jì)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)品開發(fā)到市場(chǎng)推廣本著：新產(chǎn)品、新思路、新營(yíng)銷這一全新理念，堅(jiān)持以市場(chǎng)為導(dǎo)向，全力打造市場(chǎng)，對(duì)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(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

　　本產(chǎn)品是生產(chǎn)單晶葉片的專用設(shè)備，單晶葉片在強(qiáng)度上要遠(yuǎn)強(qiáng)于普通葉片，尤其在高溫情況下，效果更為顯著。單晶葉片因?yàn)橹圃斐善仿实?以往為10%~30%)的問(wèn)題，始終無(wú)法批量生產(chǎn)，無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)的需求。這種新型的單晶爐是航空業(yè)重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(jié)省了大量稀有金屬材料，實(shí)現(xiàn)了可觀的社會(huì)效益。

7、對(duì)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展或行業(yè)技術(shù)進(jìn)步

　　當(dāng)前國(guó)家對(duì)自主研制飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有著迫切的需求，國(guó)內(nèi)對(duì)單晶爐的需求也將日趨強(qiáng)烈;同時(shí)提高單晶葉片的制造成品率也是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題，這就使設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)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(jié)論

　　ZGID0.015-160-2.5A 工程型高溫度梯度單晶爐經(jīng)安裝、調(diào)試及工藝和運(yùn)行試驗(yàn)，試制出合格的單晶葉片，通過(guò)了用戶最終驗(yàn)收。并以其該單晶爐綜合性能具有國(guó)內(nèi)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(jí)新產(chǎn)品(新技術(shù))鑒定，綜合性能具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)，具有與國(guó)外進(jìn)口同類設(shè)備的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，有著十分廣泛的推廣價(jià)值。