基于無線測溫的真空熔鑄爐高溫合金液相溫場檢測

盛堅，梁明超，賀威，周藝，吳疆

(1.國防科技工業4311 二級計量站，湖南株洲412002;2.中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

在航空動力制件熱加工領域，溫度(場)檢測是保證制件質量的重要措施之一，而在檢測點分散、環境封閉等特定場合下，常規的測溫方式難以實現溫度的測量。無線測溫技術為解決高溫合金航空制件定向結晶過程中液相溫場跟蹤測量提供了新的方法。

1 航空高溫合金材料制件精密鑄造過程中的溫度測量

高溫合金精密鑄造是航空動力核心制件加工的關鍵步驟，加工設備主要有感應式真空熔鑄爐等，目前溫度參數為1000 ～1600℃。

精密鑄造工藝特點是溫度升降快，溫度測量與控制困難。航空制件定向結晶過程中液相溫場的不均勻，導致其在凝固、結晶、成型過程中質量不穩定。為了提高航空制件的精鑄質量，更準確地控制加熱時間和工藝溫度參數，需對精鑄過程的液相溫場或多點液相溫度進行跟蹤檢測。

常規的檢測為爐內的傳感器與爐外數據處理系統采用有線連接方式，即在待測真空爐上開孔，傳感器連接線通過開孔處引出并與爐外數據采集處理系統直接通信。真空設備工作時應盡量避免開孔，因為開孔后即使進行密封處理也或多或少會降低其真空度，對產品質量產生不利影響。

采用非接觸式高溫計測量，會受到熔體表面發射率的影響，測量的也只是熔體的表面溫度。加之航空材料具有耐高溫、高強度、高負荷等特點，溫度參數控制嚴格(如某制件精鑄定向結晶工藝溫度要求為(1540±3)℃)，測量的準確度很難保證。

隨著數字電路和射頻電路制作工藝的更新，無線測溫技術的發展已進入到實際應用階段，其傳輸速度快，可靠性高，和有線測溫不相上下。

2 基于無線測溫的真空熔鑄爐高溫合金液相溫場檢測方法

2.1 常規檢測方法的缺陷及本方法的提出

溫場檢測是多個測量點所包含的某空間范圍溫度平均值的測量。高溫合金液相溫度測量方法的研究在國內外一直在進行，如金屬冶煉中采用的浸入式熱電偶、快速熱電偶等。但其主要是針對非真空環境下單點溫度的測量。真空環境下局部快速加溫的高溫合金液相溫場的檢測是制件熔化—澆注—冷卻過程中多點溫度的同步跟蹤測量。材料的相變轉化過程快，又無法加裝攪拌裝置，點溫測量不能準確地反映制件內部溫度平均值的變化。

本方法是利用無線測溫技術研究的成果，制作一組專用溫度傳感器，采用接觸受熱并通過無線信號傳輸來測量精密鑄造過程中高溫合金液體多個熱點的溫度。同時，研制配套的數據采集器和專用檢測工裝及定位定點裝置。

無線測溫系統采用先進的傳感器、無線通訊、自動控制、數字識別等技術，加之抗干擾設計，可對特殊環境條件下的溫度實現智能化在線檢測。

2.2 實施

2.2.1 檢測傳感器的制作及預埋敷設

傳感器選用φ0.5 mm 的S 型鎧裝熱電偶并置于抗熱沖擊高溫保護管中。測量端采用球形焊接，焊球直徑控制在偶絲直徑的2 ～2.5 倍。取長徑比為15，即偶絲露出長度為7.5 mm，以減小系統測溫誤差。

另外，航空制件精密鑄造常采用模型澆注，制摸時在模殼上預留安置傳感器的石英孔道，傳感器在澆鑄前預先布置于孔道中，其測量端置于被測量點(或接近)位置，澆注及冷卻過程的測溫點依工件形體對稱均布或按技術要求布置。

2.2.2 無線測溫系統及檢測方法

研究中選取了DATAPAQ 多通道溫度跟蹤系統作為溫場檢測的標準溫度數據采集處理設備，該系統是針對熱電偶信號開發的無線溫度測量處理裝置，裝置由數據采集發送和接收處理兩部分組成:采集發送部分還包括信號調理電路、數模轉換電路及數據發送模塊;數據接收處理則是主要以嵌入式計算機為核心，對接收到的數據進行解碼、處理及顯示。其系統總體框圖如圖1。

圖1 無線溫度數據采集處理系統總體框圖

測試前，先將傳感器置于專用夾具上的安置孔(或套管)內并固定好，布置數量視工藝情況確定。無特定工藝要求時，根據熔鑄爐坩堝的容積或加料重量確定，加料重量為25 ～50 kg 時以3 支為宜。傳感器需均勻分布在測試區域內并按熔鑄爐坩堝裝載量設置一定高度差，其中一支分布在坩堝中心位置。更多測量點分布時，布點位置應能表示溫場測試區域立體幾何量的關鍵參數。預埋敷設則根據預留安置傳感器的孔道固定傳感器。

通過連接頭將傳感器組與無線測溫的發射裝置對應連接并放置于高溫保護箱內，關閉爐門。將無線接收裝置連接到數據接收處理主機，打開專用軟件，確認數據收發功能良好。

數據接收處理主機采用DSP 技術，包括AD 模數轉換芯片、數據存儲單元、接口等。通過RS232 方式與嵌入式計算機進行通訊，主機內集多路信號變換、多路數字掃描開關、PC 及數據采集卡一體，內置高精度標準電阻比較器，采集的數據直接保存在計算機的硬盤中并進行每秒一個循環的溫度數據采集處理。

檢測時系統將實時采集測試數據，嵌入式計算機實時顯示并記錄。

2.2.3 檢測定位定點裝置

包括保證傳感器按溫場檢測布置要求的固定支架，可控三維移動機構等。

2.2.4 檢測用數據采集發送部分的安置

感應式真空熔鑄爐屬局部加熱設備，加熱區包裹在坩堝附近。加熱區與爐壁之間有足夠的空間放置數據采集發送器。由于是真空環境，該區域的熱傳導基本靠輻射方式進行，通過測試:在坩堝內高溫合金熔融液體溫度為1400 ～1600℃時，靠近爐壁附近的溫度在一小時內為200 ～300℃。選擇將數據采集發送器置于TB4905 型隔熱箱內并整體安置在爐內靠近爐壁的位置。隔熱箱有超強的耐高溫性能，它通過兩個步驟使數據采集器在整個工藝過程中處于安全的工作溫度。其一是多微孔絕緣材料使熱傳導速度減慢，該材料是目前所知絕緣材料中絕熱性最好的一種，被應用于飛機的黑匣子。其二是通過一個根據不同階段改變材料的吸熱設備來使內部溫度在一定時間內保持在50 ～60℃。

2.2.5 檢測示意圖

真空熔鑄爐無線溫場測試系統應用連接框圖見圖2。

圖2 溫場測試無線連接方式示意圖

由圖2 可知:檢測時，溫度傳感器組通過專用工裝支架及定位定點裝置固定，真空熔化爐快速加熱至熔鑄合金熔化溫度后，通過機械臂同時插入爐內熔鑄合金熔融液體的坩堝中，通過插入的溫度傳感器同時采集坩堝內合金熔融液體不同部位的溫度。預埋敷設傳感器的檢測亦同理。數據采集發送部分在爐內接收測量信號后，按無線采樣速率傳輸發送給接收部分并通過數據處理顯示器進行處理和顯示。

3 檢測實例

圖3 為某高合材料精鑄工藝過程中定向凝固(結晶)時的液相溫場實時跟蹤檢測的曲線圖截屏。被測設備為ZGJLBO.025 型三室真空感應爐，檢測用傳感器為三支專用S 型熱電偶，檢測設備為無線溫場測試系統。

圖3 某高溫合金材料定向凝固(結晶)的液相溫場實時跟蹤檢測曲線圖

我們還與華中科技大學合作，采用該系統對圖4所示某高溫合金材料制件的精鑄過程進行了預埋敷設傳感器組的溫度跟蹤檢測，布設測量點達到20 個。

4 影響檢測的主要因素分析

檢測用傳感器選用鎧裝熱電偶，長徑比為15，熱容小，響應快，可減小系統測溫誤差。

圖4 某高溫合金材料制件實物圖

高精度數據接收處理主機的測量誤差為0.015%，其測量誤差引入的標準不確定度小于0.05%。

真空熔鑄爐采用10 kHz 以下中頻感應電流短時間加熱，無線測溫系統的傳輸頻率為460 MHz，遠大于設備頻率，頻率干擾的影響可忽略不計。

高溫合金液相溫場檢測的目的就是為航空制件精密鑄造制定最佳工藝方案提供依據，解決感應加熱電流的大小和加熱時間的控制問題。加熱電流一定時，知道了高溫合金液相溫場數據，就能給定時間參數。由于航空制件精密鑄造的定向凝固(結晶)工藝過程時間可控，無線溫場檢測系統可進行全過程的記錄。

5 總結

實踐證明，采用無線溫場測試系統對航空制件真空熔鑄過程中的液相溫場進行跟蹤檢測是一種切實可行的方法。傳感器信號通過無線方式傳輸，避免了在爐體上開孔;其次，預埋敷設(或插入)傳感器組的接觸式溫場檢測法也比非接觸測量方法更加準確。可以有針對性地進行不斷改進和完善，滿足不同制件或材料精密鑄造時液相溫場的檢測要求。

［1］國防科工委科技與質量司.熱學計量［M］.北京:原子能出版社，2002.

［2］高慶中.溫度計量［M］.北京:中國計量出版社，2004.

［3］盛堅，楊永軍.采用高溫黑體式光纖溫度計在線檢測感應加熱真空爐液相溫場的可行性［J］.計測技術，2008，28(S0):51-53.