用于制備航空發動機高溫合金葉片的真空精密鑄造裝備設計

桂大興，孫寶德，董安平

（1.上海鑫藍海自動化科技有限公司，上海 201203；2.上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200240）

0 前言

真空精密鑄造技術直接影響國家的核心競爭力，其廣泛應用于航空航天、國防軍工、海洋船舶、核能核電、能源化工等領域。高溫合金中鋁、鈦、鉻含量較高，這些元素在空氣中極為活潑，很容易氧化，從而形成夾雜[1-3]。因此，為了避免夾雜，真空精密鑄造技術是其理想的成型工藝之一[4-10]。

上世紀九十年代開始，國內相關科研院所布點攻關高溫合金材料和高溫合金真空精密鑄造，開始了高端金屬材料的研發進程。目前，國內真空精密鑄造裝備不能滿足國內高端材料的制備需求，只能依賴于從國外進口，常有交貨周期特別長且價格昂貴，售后和技術服務不能及時等問題，導致國內產能低下，無法滿足社會各行各業的需求。最近五年來，得益于大量歸國工程師借鑒國外相關裝備制造企業的設計理念，國內真空精密鑄造裝備的國產化水平明顯提高。隨著我國航空、航天、航海等技術的發展，國產大飛機、大航母的成功落地，空間技術的開發，各工業領域對高端高溫合金等相關超合金材料需求量日益旺盛，甚至供不應求[11-15]。特別是在國家推行的“雙碳”大戰略下，國內傳統冶金行業也紛紛加快產業升級步伐，發展自主國產化高性能真空精密鑄造裝備技術已經迫在眉睫。

1 真空精密鑄造裝備詳細設計

1.1 真空精密鑄造爐概述

真空精密鑄造爐，英文Vacuum Precision Casting furnace,國際行業簡稱VPIC。主要用于制備先進的高溫合金異形鑄造部件，它們主要應用于航空航天、能源發電、船舶航海等行業。真空精密鑄造爐是在真空環境下，將預先合金化的金屬原料進行感應加熱熔化并在真空環境下澆注到鑄模內，制成所需的鑄件。在常規工業中所需的多數是等軸晶精密鑄件，而在航空航天及燃氣輪機行業中所需的是采用定向凝固以及單晶鑄件，這主要是由于定向凝固鑄件和單晶鑄件可在極高溫的工作環境下仍然具有非常優異的性能。

真空精密鑄造爐一般都采用半連續爐型設計，具有三個相對獨立的真空腔室，分別為熔煉室、鑄模室和加料（測溫）室，每個真空腔室之間都配置有特殊的真空隔離閥，感應熔煉線圈及坩堝安裝于熔煉室，鑄造模殼安裝于鑄模室，高溫合金原料通過加料室來完成加料。

1.2 真空精密鑄造爐工藝布局結構形式

通常真空精密鑄造爐有立式（上加料）和臥式（側加料）兩種設計形式，主要體現在不同工藝的需求上，在國內，立式真空精密鑄造爐比較流行，受工藝固化或操作習慣所致，臥式真空精密鑄造爐在國內市場較少見，制造成本相對較高；在國外，恰恰相反，臥式真空精密鑄造爐備受青睞，采用一爐一坩堝或少爐一坩堝的工藝，便于加料，當然高溫合金就相對不污染而純凈，最終產品質量較好。圖1 是立式（上加料）真空精密鑄造爐工藝平面圖和立面圖，圖2 是臥式（側加料）真空精密鑄造爐工藝平面圖和立面圖。

圖1 立式（上加料）工藝布置

圖2 臥式（側加料）工藝布置

立式結構主體設備占地面積約為8m×8m，地面以上高度約為8.2m，立式結構主體設備占地面積約為10m×10m，地面以上高度約為7.2m。

1.3 真空獲得系統的設計

真空系統是真空熔煉裝備的重要組成部分之一，主要包括真空機組、真空管道、真空閥門、真空過濾系統、真空壓力傳感器、溫度傳感器、安全裝置、軟連接等單元。真空機組的配置是根據用戶工藝指標進行計算的。VPIC 真空系統是由三級泵組成的，分別是機械泵、羅茨泵和油擴散（增壓）泵。真空系統的主要參數是極限真空度和壓升率或漏率。極限真空度主要用來衡量真空腔室的制作焊接水平，該指標一般取0.07Pa～0.1Pa，考核極限真空度是不受抽氣時間的限制，只要真空計表征顯示出來即可。壓升率或漏率的單位分別是Pa/h 和Pa.L/s，該指標主要考核各種密封連接（動密封和靜密封）的可靠性，該指標通常取1～3Pa/h 或30～50Pa.L/s。習慣上采用壓升率來進行檢測腔室，在規定的時間內進行抽氣和保壓試驗。以25kg 真空精密澆鑄爐為例，熔煉室抽氣速率取小于8min達到0.1Pa，鑄模室抽氣速率是1min 內達到1Pa，加料室抽氣速率是40s 內達到1Pa。真空獲得機組的配置：熔煉室配1 臺Leybold DV650 干式螺桿泵，1 臺WAU2001 羅茨泵,1 臺DIP20000 油擴散泵;鑄型室配1 臺Leybold DV650 干式泵和1 臺WHU4400 羅茨泵（附加變頻驅動VFD）。25kgVPIC 的真空系統原理圖如圖3 所示。

圖3 VPIC 真空獲得系統原理示意

1.4 冷卻水系統設計（設備水系統和電源水系統）

VPIC 熔煉和澆鑄全流程工藝都是在真空和高溫環境下不間斷進行的。一方面高溫母合金棒料通過高頻電磁感應加熱，環境溫度較高，受熱輻射需要對真空腔室和一些元器件進行水冷處理，確保設備運行安全；另一方面高溫合金鑄件在結晶凝固過程中放出大量熱量需要通過熱交換帶出爐外。熔煉電源系統和保溫電源系統，也需要去離子水對電氣元器件進行水冷處理，這是一個獨立的水冷系統。單晶爐的水系統設計是至關重要的。設計方法有二，一是采用開式水循環，即設備水冷系統是由用戶戶外冷卻塔直接給設備供水；二是采用閉式水循環系統，即在室內通過集水箱給設備供水，形成閉式水路循環。設備水系統如圖4，電源水系統如圖5。

圖4 設備冷卻水系統原理圖示意

圖5 電源（熔煉+保溫）冷卻水系統原理圖示意

1.5 氣動系統設計

氣動系統主要是針對各種執行機構的動力驅動。如真空閥門和安全閥門的啟閉，氣缸活塞桿的運動，機械結構的傳動，熔煉和澆鑄工藝氬氣的分壓與回填等。氣動系統是由氣源（介質、壓力和流量）、氣動三聯件（調壓、干燥、過濾）、集氣匯流排、球閥、消音器等元件組成。

1.6 熔煉及其坩堝傾翻澆鑄裝置設計

熔煉及其坩堝傾翻澆鑄裝置由轉動機構、平移機構和熔煉坩堝裝置組成。轉動機構用來高溫合金的澆鑄，包含有伺服電機驅動和減速傳動裝置，通過大小齒輪組進行減速；平移機構用來在澆鑄過程中補償曲線位移差從而實現定點澆鑄，包含伺服電機和直線導軌。在整個高溫合金澆鑄過程中，轉動伺服電機和平移伺服電機通過PLC 聯動，讓鋼水澆鑄實際拋物線按照預先設定工藝曲線進行實時跟蹤與瞬間調整，以至鋼水落點始終在模殼的中心位置，有利于鑄件充型均勻。熔煉坩堝裝置是由熔煉線圈和成型坩堝組件（內襯+坩堝），熔煉線圈是和熔煉電源一一對應，通常25kg VPIC 的感應線圈內徑和有效高度分別205mm 和285mm。坩堝的傾翻角度：立式（上加料）爐0°～95°；臥式（側加料）爐-90°～+90°，外形結構如圖7。

圖6 氣動系統原理圖示意

圖7 熔煉及其坩堝傾翻裝置

1.7 拉晶裝置設計

拉晶裝置又稱鑄模系統，主要部件有伺服電機驅動裝置、直線導軌、結晶系統和模殼測溫裝置等，如圖8 所示。拉晶裝置既可以實現精確平滑的升降，也可以精確控制模殼從加熱區的拉晶速度。采用高精度伺服電機驅動系統通過直線導軌來控制拉軸的升降。伺服電機置于鑄模室底部，鑄模通過交流伺服電機以（0.1～20）mm/min 的速率慢速升降，高速時以≥4500mm/min 的速率快速移動，運行過程接近零振動，這是設計的關鍵。伺服電機編碼器可以將位移信號實時反饋至自動控制程序。水冷結晶器安裝在鍍鉻的空心軸上，軸與直線導軌相連實現上下移動，進水和回水冷卻管都連接在該冷卻板上，也將對冷卻板水流入口溫度、出口溫度及水流量連續監測。鍍鉻的空心軸外部裝有保護套，保證真空動密封的清潔度和可靠性。

圖8 拉晶裝置

拉晶升降系統配置有位置傳感器，可在人機界面上數字顯示模殼高度位置，該系統重復定位精度在±1mm 以內。抽拉機構上方結晶器與線圈同心，在最高位中心偏差≤1mm，導向穩定，運行平穩。拉晶系統與隔離閥互鎖，在升降過程中不會與其他部件發生干涉。拉晶機構采用防護鋼板以防止金屬飛濺和其他外來污染物，軸封和軸承使用油圈進行保護。在升降過程中，需要考慮通過細致的設計來去除或減少可能產生的振動給晶體生長帶來的影響，具體拉晶機構的減振設計方法有：

（1）采用干式真空泵，可以從根本上有效降低振動；

（2）粗真空系統與設備爐體之間連接采用波紋管軟連接緩沖結構，消除動能傳遞；

（3）結構平臺與設備本體不相連，避免平臺上產生的任何振動傳遞至腔室及爐體升降系統上，安裝座采用增強型強度設計以減振；

（4）伺服驅動安裝在拉晶軸頂部，相較于在底部安裝電機，大大減小電機運行產生振動對拉晶的影響。

拉晶裝置快慢速度設計取決于伺服電機的分辨率。拉晶速度計算公式：

式中，N 為電機轉速；i 為減速比；n 為螺桿頭數；P為直線導軌導程。

結晶器材質是純銅，導熱性能好，結晶器水環設計非常重要，這是拉晶成敗的決定因素之一，設計時要計算冷卻水的能力和結晶器的傳熱系數，體現在結晶器的高度和水冷槽的過流截面，結晶器高度通常取50mm，水冷槽截面9.5mm×12.7mm。

模殼測溫裝置，正常設置12～20 通道。模殼測溫裝置是工藝開發的實驗環節，一當工藝成熟，正常生產時無需進行每爐次測試。另一種情況就是不定期進行維護保養校核時使用該測溫裝置，如圖9 所示。

圖9 模殼測溫裝置

1.8 保溫裝置設計

保溫裝置是控制模殼加熱和凝固溫度場的智能化單元。由感應電源、感應加熱線圈、水冷環和溫區隔熱組件組成。保溫裝置最先進的加熱模式是采用雙區或多區加熱感應電源，有利于溫度場的溫度梯度的建立，有利于高溫合金單晶的生長結晶。目前歐美主流采用雙區或多區加熱模式，在國內由于電源技術的限制還不多見，但是，上海鑫藍海公司推出的高端單晶爐均采用雙區或多區加熱模式。保溫感應電源根據工藝參數溫度梯度設定值，電源控制PID 進行智能化精準跟蹤，該電源控制溫區是通過占功比來智能化控溫的，一旦溫區梯度設定，電源控制單元指令高頻（微秒級）切換不同溫區加熱的時間，各溫區不同時加熱，這樣可以避免溫區之間的電磁波干擾，各線圈上下之間能夠有效隔熱，達到精準控制溫度梯度的目的。如果不采用雙區或多區加熱電源，線圈之間就會同時供電加熱，無法消除電磁波的干擾，從而控溫效果依賴于工藝經驗來判斷或修正。所以采用雙區或多區加熱模式是未來的凝固工藝發展的主流。

圖10 保溫裝置

水冷環放置在保溫線圈的底部，其材質是純銅，兩層水冷結構。水冷環與保溫線圈之間有隔熱環和絕緣環隔開。水冷環高度設計一般取100～200mm 之間。保溫線圈內徑和水冷環內徑是由陶瓷模殼外徑決定的。

計算方法：保溫線圈內徑=水冷環內徑+50mm=陶瓷模殼外徑+100mm。

1.9 加料與測溫裝置設計

棒材加料是采用變頻電機驅動齒輪齒條的傳動結構，通過位移編碼器實現棒材平穩精確地加入到坩堝中，采用氣缸驅動夾具夾持棒料，夾持棒料時，可以對棒料產生穩定的夾持力，可以承受一定范圍內的外力沖擊；該夾取機構采用快換卡爪的設計，可以針對不同的棒料和坩堝更換對應的卡爪，實現不同長度的棒料在不破真空的情況下更換坩堝。棒材夾具可夾母合金圓棒?70～?120mm，長度最大400mm。

測溫裝置同時采用浸入式熱電偶和遠紅外光學測溫兩種形式，相互校準，隨時采集溫度數據。浸入式熱電偶裝置是運用變頻電機驅動測溫桿組件，熱電偶桿內置二合一（測溫或取樣）B 型鉑銠絲探測器。熱電偶測溫裝置的升降采用手動和自動兩種方式，自動方式時，測溫桿的下降速度先快速，在靠近金屬液時轉為慢速，可以根據工藝要求調整運行速度。

光學高溫計裝置，即雙色光學高溫計（溫度范圍700～1800℃）。固定在測溫室頂上，需要時可打開氣動隔離閥實現測溫。

浸入式熱電偶的定位裝置確保其不會擋住光學高溫計與鋼液熔池的視線，從而使光學高溫計能夠手動與浸入式熱電偶相校準。完成校準后，兩者之間最大偏差±5℃。

具備光學測溫觀察鏡片吹氬除塵功能，保證長期測溫準確性。安裝球形隔離閥，可以在不破真空的情況下快速更換光學測溫計觀測窗。浸入式熱電偶測溫和雙色光學高溫計測溫兩套裝置，光學高溫計用于合金熔煉過程中的溫度控制和記錄，熱電偶測溫用于合金澆注溫度的控制、測定和記錄。兩套測溫系統可同時使用并互不干涉。

立式真空精密鑄造爐的加料裝置與測溫裝置通過傳動機構進行工藝切換，見圖11 所示。

圖11 加料與測溫裝置

1.10 PLC 控制和HMI 人機交互系統

真空精密澆鑄爐自動化控制系統是由上位機（HMI）和下位機（PLC）兩部分組成。

上位機采用一套PC 機的人機界面控制和數據采集的集成控制系統。PC 機能實時、連續記錄日期、時間、溫度、真空度、功率等與工藝相關的參數，并可將記錄內容打印輸出。同時PLC 可以與個人電腦或企業局域網絡進行連接（提供必要的硬件和軟件）。同時下位機采用西門子品牌SIMATIC S7-1500 系列的PLC 系統作為控制接口、信號處理和邏輯控制的單元。PLC 系統操作可設置成手動、自動和操作的維修模式。該程序控制、記錄等功能切換操作簡便，并有相應保護和明顯的顯示功能，避免誤操作。手動程序和自動程序配備一鍵切換選擇開關，更改配方工藝設置有權限密碼功能，更改前需要輸入相應權限密碼，密碼正確才能修改。溫度，真空度監控曲線均為自動監控，無需人為控制，可以顯示或隱藏監控曲線，方便操作員監控和判斷生產過程情況。自動狀態下，澆鑄完成后，自動拉晶；一鍵啟動自動抽真空。軟件能同時存儲50 個以上不同零件的工藝參數，并能用密碼鎖定。控制系統設置不同層級的賬號權限，如操作人員、工藝人員和管理人員等，保證不同權限人員對設備進行監控管理。操作者通過軟件系統可實現設備操作控制、設備狀態和工藝參數監控、工藝程序編制等。設備具備故障分析和監測功能。

控制系統包含以下操作自動化控制：（1）真空獲得系統；（2）加料（上加料或側加料）；（3）熔煉及測溫；（4）坩堝傾翻澆鑄（培訓學習和曲線編程兩種功能）；（5）模殼傳送；（6）上、下加熱器（保溫系統）加熱；（7）拉晶。

計算機管理系統軟件具有以下界面：（1）開機會話資格確認;（2）菜單管理;（3）走勢（真空度、功率、溫度等走勢曲線）;（4）工藝過程;（5）真空;（6）設備參數;（7）維護日志;（8）數據存儲和選擇。

主要畫面如圖12 所示。

圖12 HMI 自動控制系統

軟件界面能顯示以下內容：（1）加料室、熔煉室、鑄型室和擴散泵真空值和智能升壓測試;（2）熔煉電力供給功率、電流、頻率和電壓值;（3）各種水溫、壓力、流量檢測;（4）熱電偶和光學溫度計測量溫度;（5）坩堝傾翻角度和位置;（6）擴散泵油溫;（7）真空泵工作時間;（8）模殼加熱溫度;（9）拉晶速度控制;（10）結晶器和水冷環出口水溫。

2 真空精密鑄造工藝與裝備技術的發展趨勢與展望

隨著我國航空航天和國防軍工等核心競爭力領域的大發展，高端材料及其裝備也越來越多樣化、復雜化。高溫超和金成型鑄造工藝與裝備技術日新月異，世界各國都在開展或挖掘多技術路線來研發超合金及其鑄件工藝。隨著大型專業化計算和力學分析軟件的問世，大型復雜薄壁鑄件結構也隨之不斷地進行優化和輕量化，使之“超薄、高精、無缺陷”一度成為業內追求的至尊目標。凝固成型精度要求越來越高，結晶微觀品質要求愈加苛刻，截面結構更是復雜、薄如蟬翼，這些因素倒逼真空精密鑄造工藝和裝備技術需要大突破，面對特殊航空構件制備甚至需要去顛覆傳統工藝。

我國航空航天事業正面臨跨越式發展，鑄件的結構設計出現了重大變化，其尺寸、壁厚和結構復雜程度均超出了傳統精密鑄造技術的極限，現為外輪廓超過1000mm，大面積壁厚小于1.5mm（甚至1.0mm），大面積空心薄壁曲面結構與變截面系數陡增成為常態。此外，對鑄件冶金質量和尺寸精度也提出了苛刻要求，主承力部位無宏觀疏松，整體尺寸精度由CT7 提升到CT5，表面粗糙度從3μm 提高到2μm，未來有可能更高。以上兩方面因素促使以“無疏松、高精密、1mm”為特征的大型復雜薄壁高溫合金超限精密鑄造技術成為世界級難題，成為各國競相發展的關鍵核心技術。如何解決三大難題實現超限鑄件精密成型是關鍵，擺在眼前的出發點就是研發高性能高溫合金母材、革新精密鑄造工藝和創新多功能高性能裝備，三者缺一不可。

第一點，關于研發高性能高溫合金母材。在歐美，制備高溫母合金的真空感應熔煉工藝與裝備已經發展非常成熟，而且功能先進，特別是美國，高溫母合金產能全球第一，母合金研發種類繁多，各項品質指標上乘一流。而在國內，受當時國家工業水平的限制，高溫合金技術發展較晚且檔次不高，近些年，特別是進入21 世紀以來，國際形勢發生變化，我國積極倡導和鼓勵自主研發，正在大力發展高溫合金，組織青年學生走出國門，打開眼界向世界學習，創造機會去接觸或參與最先進的技術團隊，借鑒和發揚世界新技術，提高研發和創新能力。目前，我國各大科研院所正如火如荼研發高端高溫合金材料。

第二點，關于革新精密鑄造工藝。鑄造工藝是一個敏感的話題，特別是新工藝的問世，各國都存在保密和技術壟斷。鑄造工藝設計包括陶瓷模殼設計和凝固成型設計。高溫合金精密鑄件的尺寸、結構和功用是千變萬化，從而對應的澆鑄工藝也有所不同，國內和國外也有所不同。隨著國家航空、航天和航海等發展的需要，擺脫核心領域不被“卡脖子”，研發新工藝、新技術已經迫在眉睫。傳統的高溫合金精密鑄造工藝技術面對超大型復雜薄壁鑄件已經束手無策。現在計算機技術發展迅速，工藝開發可以通過專業軟件和大數據庫進行模擬與仿真，結合試驗再完善再優化。建立大型數據庫是智能化工藝設計的首要條件，數字孿生技術可以用來模擬與仿真，篩選最優化的工藝。未來誰掌握了數據誰就贏了市場。目前航空發動機葉片精密鑄造均采用真空重力鑄造工藝，成材率為80%～90%。試想，隨著工藝的發展和航空鑄件要求的提高，傳統工藝面臨挑戰的時候，真空重力鑄造、真空氦氣冷卻重力鑄造、反重力真空與加壓鑄造、液態金屬冷卻鑄造等新工藝將不斷革新推出。

第三點，關于創新多功能高性能裝備。放眼全球，真空精密鑄造裝備（VPIC）技術的成長史，也是鑄造工藝的發展史，是伴隨著鑄造工藝不斷革新而發展起來的，同時，高端真空精密鑄造裝備技術又受計算機控制技術的限制，計算機和云計算技術一定會讓精密鑄造裝備技術突飛猛進。數字孿生和人工智能是未來精密鑄造裝備發展的主方向，數據賦能智造，智造服務工藝。真空精密鑄造爐經過百年來的不斷迭代與升級，現已實現了自動化，未來一定要全面達到智能化。在國內，真空精密鑄造裝備發展良莠不齊，單臺25kg 的真空精密鑄造單晶爐價格也是在100 萬～1500 萬不等，可見差距較大。上海鑫藍海科技公司研發的高端真空精密鑄造裝備技術相對起點高，性能優越，完全可以與歐美的CONSARC 和ALD 相媲美，已經在中國航發系統或相關領域成功投入運行。定點澆鑄技術、智能工藝篩選技術、人工智能技術、云技術、全自動化技術、數字孿生技術、無人化或少人化數字工廠等將是真空精密澆鑄科技裝備的追求目標。

基于多源信息融合大數據與人工智能的智能鑄造理論與技術，構建大型復雜薄壁鑄件凝固與鑄造過程的多物理場數字孿生體，實現傳統經驗的設計鑄造向大數據驅動的智能設計鑄造模式的轉變，有望解決經典凝固理論無法找到多元合金凝固過程的量化方法，鑄造過程多物理場融合的不確定性，稀疏的數據不足以支撐工藝參數最優化決策等問題，推進鑄造工藝設計由人腦向電腦轉變，實現鑄件冶金缺陷與全流程尺寸精度穩定控制。隨著集成計算材料工程和增材制造技術的發展，開發匹配大型超薄壁高溫合金鑄件復雜充型凝固過程局部熱場可調控的陶瓷模殼材料及其制備技術，摒棄傳統精鑄中模具設計、蠟模壓制組裝工序，采用增材制造技術直接制備具有復雜隨形流道與超薄型腔的陶瓷型殼，突破超薄壁復雜高溫合金鑄件的高質量調壓鑄造成型技術，結合大型智能化調壓精鑄裝備研制，制備出傳統重力鑄造無法獲得的大尺寸復雜超薄壁高溫合金鑄件。為鑄件輕量化與功能優先設計提供保障，并形成基于“3D 打印型殼+智能調壓精鑄”的超薄壁高溫合金鑄件制備技術體系，最大限度發揮高溫合金材料應用潛力，有望大幅提高航空航天重大裝備的綜合性能[11]。