摘要： 首先介绍了三室立式真空感应精密铸造炉的结构特点，然后阐述了其他主要类型精密铸造炉的概况，最后通过对技术与市场情况的对比，分析了当前市场情况与精密铸造炉未来的发展方向。
关键词： 真空感应炉 等轴晶 精密铸造
镍基等轴晶铸造高温合金工作温度高、组织稳定、有害相少、抗氧化腐蚀性能好，是目前航空发动机使用牌号最多、应用最广的高温合金[1]。在高温合金铸造方法中，等轴晶铸造是使用最广泛且产量最大的一种。20世纪50年代后期，用于航空发动机/ 燃气轮机的铸造件迅速转向真空感应重熔-铸造工艺[2-3]，经过近70年的技术迭代，用于高温合金等轴晶铸造的真空感应精密铸造炉（以下简称“精密铸造炉”）已经得到了充分的发展。下面将介绍精密铸造炉的几种结构形式，并分析其未来发展方向。
1 三室立式型精密铸造炉
1.1 三室立式型精密铸造炉简介
三室立式型精密铸造炉是当下最常用的一种类型[4]，如图1所示，该型炉从上而下分别为测温/ 加料室、熔炼室、铸型室。此类设备可实现连续生产，在连续生产时熔炼室始终保持真空热态，测温/ 加料室通过阀门实现与熔炼室的真空通断，从而可以在不破坏熔炼室真空环境的情况下反复测温/ 加料作业。铸型室通过下方的真空隔离阀实现与熔炼室的真空通断，从而可以在不破坏熔炼室真空环境的情况下反复装载或卸载铸型（型壳）。综上，通过各腔室的相互配合，可实现设备在不破熔炼室真空环境的情况下连续生产。三室立式炉的容量在25~200kg 较为常见[5-6]，这个规格可以覆盖大部分航空精密铸造的需求。
▲ 图1 三室立式精密铸造炉结构示意
1.2 内置加热器的三室立式精密铸造炉
三室立式精密铸造炉还可以配套内置加热器。如图2所示，这种精密铸造炉的结构类型与常规三室立式真空感应定向凝固/ 单晶炉极为相似，不同点仅在于其内置加热器通常并非多区加热而是单区加热，且设备无需配套水冷环与结晶器等相关部件。
▲ 图2 带内置加热器的三室立式精密铸造炉
内置加热器的三室立式精密铸造炉主要用于需要进行炉内加热/ 保温的等铸晶铸造工艺。通常采用该工艺方法生产的零件占比不大，且这种设备在使用过程中存在诸多缺陷，主要体下在以下几个方面：
❶ 内置加热器与熔炼线圈系统同在熔炼室内，等轴晶浇注速度通常很快，此过程中易产生钢液飞溅损伤内置加热器的情况，导致内置加热器的使用寿命变短，增加维修与更换成本。
❷ 铸型完全被加热器罩住，浇注时无法看到钢液流入铸型的状态，不利于观察浇注过程。
❸ 内置加热器的尺寸是固定的。当铸型高度矮于加热器额定容纳高度时，升降机构无法进一步进行高度补偿（因加热器内高温，升降机不能进入），这就会导致铸型位置偏低，浇注点与铸型距离过远，不利于浇注过程。这种情况下往往要在铸型托盘上垫耐火砖或其他耐高温物体，增加了操作复杂性与工作量。
虽然内置加热器的立式精密铸造炉在使用中存在一些缺点，但由于精密铸造厂往往对三室立式炉的结构更熟悉，在设备使用上存在思维惯性，这就导致目前仍有很多此类炉型在役。
2 专用型精密铸造炉
专用型精密铸造炉主要指用于整体叶盘（多为细晶/ 双性能整体叶盘）生产的炉型或采用类似结构布局的设备。20世纪70年代美国就广泛开展了高温合金整体叶盘研究[7]，整体叶盘主要应用在APU（辅助动力单元）或中小规格航空发动机上[8-10]。目前，大量应用于实际生产的细晶/双性能精密铸造炉的典型结构布局如图3所示[11]，其主要采用GX 法或MX 法生产整体叶盘[12]，这是一种主流的整体叶盘类零件生产方法。该结构布局的主要特点是将内置加热器安装在上部的炉室中，并使搅动机构位于设备下部，保证搅动过程中设备具有足够的结构刚性与动态稳定性，防止出现设备“晃动”的情况。可以认为该类炉型是一种针对细晶/ 双性能工艺而产生的专用炉型。
▲ 图3 用于生产整体叶盘的精密铸造炉
该型炉主要有两大特点：第一，具有内置加热器，且加热器与熔炼线圈系统分置于两室中；第二，具备离心旋转或搅动（正反快速切换旋转）功能。由于该型炉生产的细晶/ 双性能整体叶盘属于细分产品领域，所以市场占有量不大。
3 大型精密铸造炉
对于大型等轴晶精密铸造炉，500kg 容量规格可以涵盖大部分工艺的需求，纵观国内外等轴晶精密铸造炉，可发现该容量级别的设备并未得到完善的发展。虽然20世纪80年代大型高温合金铸件在美国就已经得到应用[13-14]，但国外对大型精密铸造炉的需求一直不大，这或许导致了市场上鲜有专门为大型等轴晶精密铸造而设计的设备。国外企业提供的产品往往是采用传统真空感应熔炼炉（VIM 炉）进行局部改造，以达到匹配精密铸造工艺的要求[15]。图4所示为德国ALD 公司针对航空机匣铸件所设计的大型等轴晶精密铸造炉。该型炉与其自身VIM 系列熔炼炉采用相同的产品平台，结构与部件大部分均可通用，熔炼线圈系统采用了传统的有磁轭设计，与VIM 母合金熔炼炉完全一致。
▲ 图4 ALD 公司大型精密铸造炉（采用VIM 炉结构）
4 当前市场分布情况与未来可能的发展方向
4.1 三室立式型精密铸造炉市场保有量大
目前从数量上来讲，传统的三室立式精密铸造炉保有量最大，尤其在航空精密铸造行业是绝对的主力军，这是由于大部分等轴晶铸件的生产工艺为转移铸造法。这种方法不需要使用内置加热器，生产效率高，设备易于维护，利于快速高效地生产。
内置加热器的三室立式精密铸造炉主要用于铸型炉内加热的工艺，使用该类工艺生产的铸件种类与数量在总体上所占比例不大。内置加热器的立式精密铸造炉本身也是在传统三室炉上增加加热功能实现的，所以这类炉型更像是一种过渡型产品，而不是为需要炉内加热的工艺而专门打造的设备。
4.2 专用型精密铸造炉将进一步发展
图5所示是部分借鉴细晶/ 双性能精密铸造炉的理念而发展出的新式专用型等轴晶精密铸造炉（以下简称新式炉）[16-17]。这种布局将主流的三室立式炉体布局调整为卧式炉体布局。采用这种结构，可以实现内置加热器与浇注过程分离，解决了传统三室立式精密铸造炉在使用内置加热器情况下浇注视野受限、浇注高度不能调节及维护工作量大等问题。新式炉的结构布局没有采用传统精密铸造炉的垂直布置方式，而是采用水平布置，这是因为内置加热器本身就在熔炼线圈系统上方，如果采用垂直布局则会导致设备高度过高且结构复杂，不利用长期稳定使用，而采用水平分布则可以避免此问题。
▲ 图5 新式专用型等轴晶精密铸造炉结构示意
新式炉的设计初衷主要是为了解决内置加热器型等轴晶精密铸造炉的诸多结构缺陷，其结构型式可以有效避免上文所提到的传统型内置加热器三室立式精密铸造炉的设计缺陷，目前该类型炉已投入市场，并取得不错的反响。新式炉结构布局可以覆盖50~1000kg 几乎所有等轴晶精密铸造炉型号。这种专用炉相比传统三室立式炉更适合生产薄壁铸件或整体叶盘等需要内置加热器的产品，是一种全新的技术解决方案，在高温合金铸造炉领域具有极大的发展潜力。
4.3 大型精密铸造炉设计思路或将变化
目前很多大型真空感应精密铸造炉采用传统VIM 炉产品平台及技术。我们不能否认这种思路下设计的设备可以实现精密铸造的功能，但这种以母合金熔炼炉技术为蓝本加以细节改动而形成的炉型，仅能看作一种应对市场需求的临时性产品，并不能代表长期发展的思路，所以未来大型精密铸造炉或将有进一步发展的空间。通过了解国内主流高温合金铸造企业的实现需求与现有技术水平，可大致分析出大型精密铸造炉的设计思想可能发生变化。
4.3.1 采用无磁轭熔炼线圈系统
磁轭主要起到磁屏蔽作用，以约束线圈漏磁向外发散，起到防止外部金属部件发热的作用[18]。以往500kg 及以上的熔炼线圈均采用磁轭设计，这种设计下整个熔炼线圈系统质量很大。以500kg传统磁轭钢壳结构的熔炼线圈系统为例，其裸重往往超过2t，且所占的体积也很大。如果将传统设计应用到精密铸造炉中，会出现很多弊端：
❶ 熔炼室炉体被迫做的很大，空间利用率低，真空泵配置数量多，造成浪费。
❷ 磁轭工作时需要水冷，增加了设备复杂性。冷却水管引入炉内，增加炉内漏水风险。
❸ 精密铸造炉不同于熔炼炉，精密铸造炉打/装坩埚的频率远比熔炼炉高，过于笨重的熔炼线圈系统不利于日常的维护。
因此，对于500~800kg 级别的熔炼线圈采用更先进的无磁轭设计优势明显。无磁轭设计的关键在于优化电磁参数并计算出磁场对周围金属部件的影响。为了实现这个目的，往往要通过借助CAE 电磁仿真手段来进行辅助设计，如图6所示。借助CAE 电磁仿真软件可以模拟磁场分布，亦可以校核线圈周围金属部件受磁场影响的大小，来达到综合优化设计的目的。
▲ 图6 无磁轭的500kg 感应熔炼线圈及电磁仿真分析
4.3.2 三室立式布局+类圆形真空炉体
目前大型等轴晶精密铸造炉，多采用水平布置的三室布局，与传统真空感应熔炼炉结构基本一致。这种布局的设备结构复杂，占地面积大，比较适合用于大载荷的工况。但该布局对于叶盘、机匣等铸型全部载荷远小于1t 的工况则表现出诸多缺陷，如铸型转移速度慢、无升降功能、维护性差等。
三室立式布局设计，可以通过升降机构实现对不同铸型的高度补偿，是一种久经考验的布局方式[19-20]，该布局可更灵活地匹配精密铸造生产工艺，也更易于维护。因而回归采用在精密铸造领域更有优势的三室立式布局是一种很好的思路。
用于等轴晶铸造的精密铸造炉从20世纪90年*开代**始大面积流行方形熔炼室设计，熔炼线圈系统固定在旋转炉门上（图7），这种设计十分有利于拆换坩埚与设备维护，受到了广大用户的一致好评，但这种形式若应用在大型精密铸造炉时是值得商榷的。一方面，当容量达到500kg 量级时，整套熔炼线圈的质量急剧增加，采用炉门挂载的结构形式难以支撑，结构设计上的劣势反而突显。另一方面，过重的熔炼线圈在更换时需要借助吊装设备，且熔炼线圈所处位置往往高于人工作业理想高度，还需配套专业移动式工作（升降）台，这都使得熔炼线圈安装在炉门变得意义不大。所以，若将熔炼线圈安装在炉体内而非炉门上，并在设计中考虑炉内拆换熔炼线圈维护性（如使用可拆维护工装等），反而可以很好地兼顾设备功能性、维护性和成本等。
▲ 图7 熔炼线圈分别安装在炉门和炉体上
4.3.3 全面实现无液压化
液压是重型装备长期依赖的一种驱动方式，具有很多优点，但应用于真空感应精密铸造炉时也暴露出很多缺点，如：长期使用容易漏油、维护性差、液压响应慢、线性精度差[21]等。如今，随着大功率伺服电机技术成熟，可将其用在熔炼翻转、铸型升降等重载工况下，这就为在大型精密铸造炉上全面实现无液压化设计提供了技术前提。目前，我所已实现容量800kg 及以下真空感应类全部炉型无液压化，其中新型500kg 真空感应等轴晶精密铸造炉如图8所示。可以预见未来将有更多真空冶金设备会实现无液压化，大大减少用户现场的维护难度与工作量。
▲ 图8 新型500kg 真空感应等轴晶精密铸造炉
5 结语与展望
真空等轴晶精密铸造炉的主要服务领域仍是航空发动机与燃气轮机行业，容量多在100kg以下。传统三室立式炉的市场占有率在未来一段时间仍会维持较高水平；用于生产整体叶盘、小机匣或整体导向器等部件的专用炉型未来或可有进一步的发展，有取代传统内置加热器的三室立式精密铸造炉的可能；大型等轴晶精密铸造炉会因我国航空发动机/ 燃气轮机等行业的强劲需求而迎来重大发展契机，在此方面目前国外企业没有形成技术优势，国内头部企业或可抓住机遇，迎头赶上。
本文首发于 《真空》杂志2023年第5期
本文作者：宋静思，王春钢，黄瀚川，左野，滕龙，陈久强，李秀章
作者单位：沈阳真空技术研究所有限公司；中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司；贵阳航发精密铸造有限公司
文章编号： 1002-0322（2023）05-0092-06
