CN103752808B - 一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，该方法首先通过测温仪测得定向凝固铸造中高温合金铸件的时间-温度曲线，进而得出高温合金铸件在定向晶生长方向的瞬时生长速率；再依据抽拉速率和瞬时生长速率的关系式，得到高温合金铸件在定向晶生长方向一定坐标时所需的抽拉速率；最后依据得出的高温合金铸件在定向晶生长方向一定坐标时所需的抽拉速率，实时地调整铸型的抽拉速率。本发明可以实时地测量定向凝固铸造中高温合金铸件的温度梯度和生长速率，从而达到在定向凝固过程中，随着温度梯度的改变获得铸型所需的抽拉速率，使得高温合金铸件的制造更为容易，并且，本发明可以使制造的高温合金铸件组织更为均匀、性能更好。

Description

一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法

【技术领域】

本发明属于定向凝固制造技术领域，具体涉及一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法。

【背景技术】

定向凝固铸造是一种强制性凝固过程，其原理为由隔热挡板将定向凝固炉的上部加热区和下部冷却区隔开而形成沿高温合金铸件轴向的一维温度梯度，高温合金铸件在上部被熔化和过热，下部进行强制冷却，凝固界面位于隔热挡板附近，通过向下抽拉实现单向排列的凝固组织。在定向凝固过程中，定向凝固中铸型的抽拉速率对高温合金铸件能否良好形成、定向结晶组织形态及性能等具有重要影响。其中，完成定向凝固的重要工艺参数主要包括凝固过程中固-液界面前沿液相中的温度梯度G_L和固-液界面向前推进速度，即凝固速率或晶体生长速率V。而在小于临界抽拉速率的条件下，凝固速率或晶体生长速率V与抽拉速率V′的变化基本一致。所以，抽拉速率对定向凝固铸件的微观组织及力学性能有很大影响。

目前对抽拉速率的研究主要方法为：针对某一种高温合金，从小到大离散地选择几种抽拉速率进行定向凝固实验，其中选取的每一种抽拉速率都是不随时间变化的，接着分析实验后的定向凝固组织形态和性能，然后进行抽拉速率的选择，为实际生产提供指导。现已针对多种高温合金铸件进行抽拉速率影响的研究，如单晶合金RENE N4、DD98、IC6SX、SRR99、DD6和定向柱晶合金DZ22、DZ125、DZ445、DZ951等。在实验中，均是从小到大离散地选取几种抽拉速率，如4、6、8、10、12mm/min等分别完成定向凝固浇注，然后分析不同抽拉速率对微观组织，如铸态枝晶组织、枝晶臂间距、合金微观偏析等的影响，以及力学性能（包括高温下的力学性能及室温下的力学性能），如拉伸性能、持久性能等的影响。

上述研究方法有两个不足。一是在定向凝固过程中，随着定向晶体的生长，固相长度不断增加，底部水冷盘的冷却作用逐渐降低，而且高温合金本身的导热性质不佳也使得散热速度下降，导致温度梯度下降，定向晶的生长速率下降，也就是说，在定向凝固过程中，凝固速率是变化的，那么要满足定向晶组织的良好生长，就要求抽拉速率也要相应变化。二是在研究了若干种高温合金的抽拉速率变化对其微观组织及力学性能等的影响之后，发现不同高温合金的组织和性能随着抽拉速率的变化表现出相似的规律，但又有各自的特点，不能定量地给出统一的抽拉速率影响规律。这对定向凝固铸件的批量生产具有不利影响。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供了一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，从而实现铸型抽拉速率随高温合金铸件凝固速率的改变进行实时地改变，为定向凝固铸造中高温合金铸件的高质量生产提供了必要条件。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，包括以下步骤：

1）沿高温合金铸件的定向晶生长方向在铸型的外壁上设置若干热电偶；

2）当铸型自定向凝固炉保温室以初始抽拉速率V₀′向定向凝固炉冷却室中移动时，沿定向晶生长方向首先到达冷却装置的热电偶设为第1热电偶，其沿定向晶生长方向的坐标为Z₁，此时，当第1热电偶测定的温度下降至凝固等温线T_{solidification}时，记录时间为t₁；

3）当铸型自定向凝固炉保温室以初始抽拉速率V₀′向定向凝固炉冷却室中继续移动时，沿定向晶生长方向其次到达冷却装置的热电偶设为第2热电偶，其沿定向晶生长方向的坐标为Z₂，此时，当第2热电偶测定的温度下降至高温合金铸件的凝固等温线T_{solidification}时，记录时间为t₂；

4）由上述步骤2）和3）可知，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z₂时的生长速率为V₂=(Z₂-Z₁)/(t₂-t₁)=ΔZ₂/Δt₂，进而得出，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时的生长速率为V_i=(Z_i-Z_i-1)/(t_i-t_i-1)=ΔZ_i/Δt_i，其中，i=1,2，…；

5）依据抽拉速率V′和生长速率V的关系式可知，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率

式中，S_i为已凝固部分的长度，由步骤4）知，S_i=Z_i（i=1，2，…），z为定向晶生长方向的坐标轴，是抽拉速率和高温合金铸件长度的函数，由上述步骤可知其中，ΔZ_i=Z_i-Z_i-1；

从而，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率

$V_i^{\′}=V_i/\left(\frac{\∂S_i}{\∂z}\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_i}{\mathrm{\Δ}{t}_i}/\frac{Z_i}{\mathrm{\Δ}{Z}_i}=\frac{\mathrm{\Δ}{Z_i}^2}{Z_i\·\mathrm{\Δ}{t}_i};$

6）依据步骤5）得出的高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率V_i′，然后据此实时地调整铸型的抽拉速率。

本发明进一步改进在于，步骤1）中，在铸型设计时就预设若干热电偶埋入孔，埋入孔的周向选址位于铸型周向具有温度梯度的位置；各个埋入孔处于一条平行于定向晶生长方向的直线上；埋入孔的数目n≤L/(10d)，其中L为铸型沿高温合金铸件的定向晶生长方向的总长，d为热电偶直径。

本发明进一步改进在于，步骤1）中，热电偶截面积小于高温合金铸件截面积的10%，且热电偶在铸型的外壁设置时，其端面与铸型的内壁平齐。

本发明进一步改进在于，步骤2）中，将定向晶生长起始点的铸型下端面纵向坐标设置为Z₀=0；当第1热电偶测定的温度开始下降时，记为时间数据记录起始点t₀=0。

本发明进一步改进在于，步骤2）和3）中，高温合金铸件的凝固等温线T_{solidification}的计算公式为：T_{solidification}=T_solidus+0.1×(T_liquidus-T_solidus)，其中，T_solidus为固相线温度，T_liquidus为液相线温度。

一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，包括以下步骤：

1）将红外测温仪设置在定向凝固炉冷却装置的下边缘；

2）当铸型自定向凝固炉保温室以初始抽拉速率V₀′向定向凝固炉冷却室中移动时，设铸型定向晶生长起始点所在端面移至红外测温仪测温点处的坐标为Z₀=0，并记为时间数据记录起始点t₀=0；

3）设定红外测温仪测温时间间隔为Δt，每间隔Δt时间，测定一个铸型移动距离Z_i和该测温点的温度值T_i，其中i=1，2，…；

4）当红外测温仪测得的温度值T_i高于高温合金铸件的凝固等温线T_{solidification}时，测得该测温点铸型移动距离Z_c,i和经过的时间间隔个数m，根据公式V_i=ΔZ_i/Δt_i，得出该测温点铸型的瞬时生长速率为V_i=(ΔZ_c,i-ΔZ_c,i-1)/(m·Δt)，其中，ΔZ_i=Z_c,i-Z_c,i-1，Z_c,0=0，Δt_i=m·Δt；

5）依据抽拉速率V′和生长速率V的关系式可知，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率

式中，S_i为已凝固部分的长度，由步骤4）知，S_i=Z_c,i（i=1，2，…），z为定向晶生长方向的坐标轴，是抽拉速率和高温合金铸件长度的函数，由上述步骤可知其中，ΔZ_i=Z_c,i-Z_c,i-1；

从而，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率

$V_i^{\′}=V_i/\left(\frac{\∂S_i}{\∂z}\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{Z}_i}{\mathrm{\Δ}{t}_i}/\frac{Z_{c,i}}{\mathrm{\Δ}{Z}_i}=\frac{\mathrm{\Δ}{Z_i}^2}{Z_{c,i}\·\mathrm{\Δ}{t}_i}=\frac{\mathrm{\Δ}{Z_i}^2}{m\·Z_{c,i}\·\mathrm{\Δt}};$

6）依据步骤5）得出的高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_c,i时所需的抽拉速率V_i′，然后据此实时地调整铸型的抽拉速率。

本发明进一步改进在于，步骤3）中，测温时间间隔Δt的设定原则为：Δt<1/V_i。

本发明进一步改进在于，步骤4）中，高温合金铸件的凝固等温线T_{solidification}的计算公式为：T_{solidification}=T_solidus+0.1×(T_liquidus-T_solidus)，其中，T_solidus为固相线温度，T_liquidus为液相线温度。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本发明一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，该方法可以实时地监测定向凝固铸造中高温合金铸件的固-液界面位置，从而推算出高温合金铸件的凝固速率；并且，该方法可以完成对定向凝固铸造中当前时刻高温合金铸件的凝固速率与铸型实际抽拉速率的比较，将比较值反馈到抽拉速率设置处，形成新的、符合该时刻定向凝固组织生长需求的抽拉速率。

本发明解决了传统定向凝固铸造中抽拉速率不可变的问题，从而提高了高温合金铸件的微观组织形态及力学性能，即提高了高温合金铸件的品质，此外，本发明解决了针对不同高温合金铸件需提出相应的铸型抽拉速率这一困难，在实际生产过程中只需了解高温合金铸件的定性性能即可，不需要通过多次实验进行铸型抽拉速率的选择，从而提高了定向凝固铸造的生产效率，缩短了铸造高温合金铸件的时间，并且提高了高温合金铸件的成品率。

【附图说明】

图1（a）为热电偶埋置示意图，图1（b）为红外测温仪布置示意图；

图2（a）为本发明定向凝固示意图，图2（b）为本发明采用热电偶测定生长速率示意图，图2（c）为本发明采用红外测温仪测定生长速率示意图；

图3为本发明铸型抽拉速率控制系统框图；

图4为本发明铸型抽拉速率自动控制电气原理图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，包括以下步骤：

如图1（a）所示，步骤1），沿高温合金铸件的定向晶生长方向在铸型的外壁上设置若干热电偶。具体实施方法为：在铸型设计时就预设若干热电偶埋入孔，各个埋入孔处于一条平行于定向晶生长方向的直线上，在制造铸型的过程中就将选定的热电偶埋入制造铸型，埋入孔的周向选址位于铸型周向具有温度梯度的位置。埋入原则为：热电偶前端与铸型的内壁平齐，并保持埋入热电偶对定向凝固过程中温度场影响最小；沿竖直方向，即平行于定向晶生长方向排布；可按均匀或非均匀间隔排布，排布的个数上限与所选热电偶的直径大小有关。热电偶的埋入会导致定向凝固过程中铸型温度场有所改变，但当热电偶直径足够小，即热电偶截面积小于整个铸造件截面积的10%时，埋入热电偶对定向凝固过程中温度场的影响可以忽略不计，因此可以确定热电偶使用个数上限为n≤L/(10d)，其中L为高温合金复杂构件竖直方向长度，即平行于定向晶生长方向的长度，d为所选热电偶直径。埋置热电偶示意图如图1中所示。按照温度场影响最小原则，将热电偶的排布尽量接近具有周向温度梯度的地方，这样做一是可以降低对定向凝固过程中温度场的影响，二是可以通过埋入热电偶起到辅助降低周向温度梯度的作用，对所生产的定向晶组织有改良作用。图1中将热电偶布置在涡轮叶片后缘排气边处，为了便于解释，图1（a）中的热电偶埋置示意略偏于后缘处。

如图2（a）和（b）所示，步骤2），当铸型自定向凝固炉保温室以初始抽拉速率V₀′（初始抽拉速率根据定向凝固高温合金铸件的材料而定，镍基高温合金涡轮叶片的初始抽拉速率一般选择为4～8mm/min）向定向凝固炉冷却室中移动时，沿定向晶生长方向首先到达冷却装置的热电偶设为第1热电偶（如图1（a）所示，其布置在定向凝固铸型底部），其沿定向晶生长方向的坐标为Z₁，此时，当第1热电偶测定的温度下降至凝固等温线T_{solidification}时，记录时间为t₁，而其它热电偶由于处于保温室中，均维持在所铸造金属液相线上的某一温度（镍基高温合金涡轮叶片一般为1550℃）；其中，将定向晶生长起始点的铸型下端面纵向坐标设置为Z₀=0；当第1热电偶测定的温度开始下降时，记为时间数据记录起始点t₀=0。热电偶固定在铸型型壳上，由于定向凝固的工艺条件规定，铸型首先在超过铸件合金熔点温度的保温室内保温，因此热电偶开始所测的温度较高，随着定向凝固的开始，铸型以一定的抽拉速率向冷却室内移动，因此热电偶所测的温度不断下降，当该热电偶所测温度下降到一定值，即凝固等温线T_{solidification}时，高温合金铸件凝固，因此可以用热电偶走过的距离与热电偶所测温度达到凝固等温线温度的时间之比来确定铸件的凝固速度。

步骤3），当铸型自定向凝固炉保温室以初始抽拉速率V₀′向定向凝固炉冷却室中继续移动时，沿定向晶生长方向其次到达冷却装置的热电偶设为第2热电偶，其沿定向晶生长方向的坐标为Z₂，此时，当第2热电偶测定的温度下降至高温合金铸件的凝固等温线T_{solidification}（镍基高温合金铸件约为1250～1300℃之间，不同材料可查相关材料手册进行计算）以下时，记录时间为t₂；其中，高温合金铸件的凝固等温线T_{solidification}的计算公式为：T_{solidification}=T_solidus+0.1×(T_liquidus-T_solidus)，其中，T_solidus为固相线温度，T_liquidus为液相线温度。

步骤4），由上述步骤2）和3）可知，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z₂时的生长速率为V₂=(Z₂-Z₁)/(t₂-t₁)=ΔZ₂/Δt₂，进而得出，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时的生长速率为V_i=(Z_i-Z_i-1)/(t_i-t_i-1)=ΔZ_i/Δt_i，其中，i为区分不同时刻生长速率下标，i=1,2，…。

步骤5），依据抽拉速率V′和生长速率V的关系式可知，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率式中，S_i为已凝固部分的长度，由步骤4）知，S_i=Z_i，z为定向晶生长方向的坐标轴，是抽拉速率和高温合金铸件长度的函数，由上述步骤可知其中，ΔZ_i=Z_i-Z_i-1（i=1，2，…）；从而，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率

步骤6），依据步骤5）得出的高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率V_i′，然后据此实时地调整铸型的抽拉速率。

本发明一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，另一个技术方案，其包括以下步骤：

如图1（b）所示，步骤1），在定向凝固炉冷却室处选择一红外测温仪放置点，该放置点选取原则为：距离定向凝固炉冷却装置下边缘的距离Z_m不能太大，也就是说在高温合金复杂结构件铸型凝固前端经过此点时，温度未低于固相线温度。为了方便起见，可直接令Z_m=0，即将红外测温仪设置在定向凝固炉冷却装置的下边缘。

如图2（a）和（c）所示，步骤2），利用红外测温仪测定生长速率的原理为：当铸型自定向凝固炉保温室以初始抽拉速率V₀′向定向凝固炉冷却室中移动时，设铸型定向晶生长起始点所在端面移至红外测温仪测温点处的坐标为Z₀=0，并记为时间数据记录起始点t₀=0。由于红外测温仪布置在定向凝固炉冷却装置下部，由于定向凝固过程中铸型首先在高于合金熔点温度的保温室中保温，铸型底面，即定向凝固铸件凝固起始端铸型端面置于激冷盘上，因此，在铸型开始冷却之后，铸型进入冷却室的部分处于一个较低的温度，所以，红外测温仪所测的温度较低。随着定向凝固的进行（铸型以一定的抽拉速率向冷却室移动），凝固界面距离铸型端面激冷盘越来越远，激冷盘的冷却作用降低，红外测温仪所测温度渐渐升高，当红外测温仪所测得温度高于一定值，即凝固等温线T_{solidification}时，此位置的凝固并未完成，因此，可以利用铸型移动的距离与红外测温仪所测温度达到凝固等温线温度的时间之比来确定铸型的凝固速度。

步骤3），设定红外测温仪测温时间间隔为Δt，每间隔Δt时间，测定一个铸型移动距离Z_i和该测温点的温度值T_i，其中i=1，2，…；测温时间间隔Δt的设定原则按V_i·Δt<1mm推算，即Δt<1/V_i，可设为Δt=5s。

步骤4），当红外测温仪测得的温度值T_i高于高温合金铸件的凝固等温线T_{solidification}时，测得该测温点铸型移动距离Z_c,i和经过的时间间隔个数m，根据公式V_i=ΔZ_i/Δt_i，得出该测温点铸型的瞬时生长速率为V_i=(ΔZ_c,i-ΔZ_c,i-1)/(m·Δt)，其中，ΔZ_i=Z_c,i-Z_c,i-1，Z_c,0=0，Δt_i=m·Δt，高温合金铸件的凝固等温线T_{solidification}的计算公式为：T_{solidification}=T_solidus+0.1×(T_liquidus-T_solidus)，其中，T_solidus为固相线温度，T_liquidus为液相线温度。

步骤5），依据抽拉速率V′和生长速率V的关系式可知，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率

式中，S_i为已凝固部分的长度，由步骤4）知，S_i=Z_c,i（i=1，2，…），z为定向晶生长方向的坐标轴，是抽拉速率和高温合金铸件长度的函数，由上述步骤可知其中，ΔZ_i=Z_c,i-Z_c,i-1；

从而，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率

$V_i^{\&prime;}=V_i/\left(\frac{\&PartialD;S_i}{\&PartialD;z}\right)=\frac{\mathrm{\&Delta;}{Z}_i}{\mathrm{\&Delta;}{t}_i}/\frac{Z_{c,i}}{\mathrm{\&Delta;}{Z}_i}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{Z_i}^2}{Z_{c,i}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{t}_i}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{Z_i}^2}{m\&CenterDot;Z_{c,i}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}}.$

步骤6），依据步骤5）得出的高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_c,i时所需的抽拉速率V_i′，然后据此实时地调整铸型的抽拉速率。

为了对本发明一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法进一步了解，现对其实时地调整铸型的抽拉速率的工作原理作进一步说明。

将获得的所需抽拉速率V_i′接入串联校正元件比例微分积分（PID）控制电路，即进行第一次信号修正。该步可根据情况省略。接着将修正过的信号进行放大和调整，获得进一步较好的信号。然后将获得的信号施加到执行元件伺服电动机中。以上部分为主要控制部分。最终由伺服电动机控制抽拉速率的大小。

在上述过程中设计有局部反馈信号，即为了保证调控抽拉速率的伺服电动机信号的稳定和完整性加入的控制电路；上述控制系统的主反馈信号为对抽拉速率的测定，并将测得的抽拉速率值与抽拉速率的计算值进行比较，完成反馈控制。结构示意框图参见图3所示。

以下对系统中各元件的功能及原理简述：

本发明提出的方法中设计的抽拉速率控制系统主要包括给定元件，放大、转换元件，比较元件，校正元件，执行元件，反馈元件等。给定元件是用于产生给定信号，即输入信号；本系统的给定元件为测温仪，可以选择热电偶，也可以选择红外测温仪，作用主要是用于测量定向凝固铸件的生长速率。热电偶测温法是一种常用的方法，反应灵敏、可信度高，但热电偶受测量点数目的限制，而且对凝固过程也有一定影响，测定原理如图2所示。红外测温仪测温法为非接触测量，反应时间短，理论精度高，但其易受环境影响使精度下降，测量原理为：材料在发生液-固转变时发射率会发生突变，从而导致红外测温仪的输出温度发生偏差，而偏差的大小与目标区域内金属的凝固速率有关。因此，利用将测温仪记录的测温曲线进行拟合推算，获得目标区域内的液-固转变时间，从而获知液-固分界线的收缩过程，进一步得到凝固速率。在抽拉速率的自动控制中选择上述方法的任意一种均可，不同的是校正电路及相关装置的设置。

本发明提出的方法中设计的抽拉速率自动控制系统需要测定定向凝固铸件的凝固速率，而凝固速率与给定的等温线（即凝固等温线，可以利用液相温度和固相温度换算，换算公式为T_{solidification}=T_solidus+0.1×(T_liquidus-T_solidus)的推进速度是一致的。要测定给定等温线的推进速度，需要对铸型沿凝固推进方向（Z向）进行温度的多点测量。如果选用热电偶测量温度，需要沿Z向布置多个测点，或者采用多点热电偶。采用多点热电偶更为方便和经济。对应的测温回路可以选择共用回路，这样可以大量节省显示仪表的数量。

放大、转换元件是控制电路，本系统前端输入控制部分中的放大、转换元件的作用主要是将所测得的定向凝固生长速率换算成抽拉速率计算值，即需求抽拉速率；主要控制部分的放大、变换元件的作用主要是为了提高系统的精确性和稳定性。

校正元件是为了保证系统的控制质量而设，本系统中使用的校正元件包括串联校正元件和并联校正元件，主要作用是为了提高系统的稳定性和快速性。

执行元件是对控制对象进行操纵的元件，本系统使用伺服电动机对控制对象抽拉速率进行控制。

反馈元件用于检测被控制量，产生主反馈信号，本系统选择测速发电机作为反馈元件，主要用于测量抽拉速率数值，然后完成实际抽拉速率与需求抽拉速率的比较，完成自动控制。

系统中各元件的选取：

本发明提出的方法中设计的系统涉及的放大元件主要为电压放大器，校正元件为比例微分积分（PID）控制电路，比较元件为电位计。在下述元件选取方法及选取范围确定中省略详细说明。

一、给定元件的选取：

热电偶：根据定向凝固的温度范围进行热电偶的选择，可以是国际标准化热电偶，也可以是非标准热电偶。下边是几种可用选择：

双铂铑热电偶（国际标准化热电偶）：铂铑30-铂铑6热电偶（B型），B型热电偶的正热电极（BP）为含30%质量分数铑的铂，负热电极是含6%质量分数铑的铂。其热电特性曲线在80℃以下很平缓，所以当冷端温度不高于50℃时可以不考虑冷端温度变化的影响。这种热电偶课长期使用于1750℃，短期使用可达1800℃。

B型热电偶的参考函数为：

其中，E为热电动势，单位为mV，t₉₀为摄氏度，C_i为系数。表1给出了以ITS-90为基础的B型热电偶的参考函数的各系数C_i。

表1：B型热电偶的参考函数系数

贵金属热电偶（非标准热电偶）：未标准化热电偶铂铑40-铂铑20，最高使用温度可达1850℃，而且在1550℃～1850℃之间的热电特性几乎呈线性关系。

钨铼系热电偶（非标准热电偶）：上限温度可达2400℃～2800℃，适合应用于惰性、干氢和真空气氛中，不宜在氧化、非氢和湿氢的还原气氛中使用。

铱铑-铂系热电偶（非标准热电偶）：最高使用温度为2000℃，适合适用于真空和中性气氛，不能在氧化和还原气氛中使用。

注意：1）热电偶使用的前提条件之一是保持冷端为0℃或某一常数值。冷端温度的处置方法有：冰点槽法和延伸导线法，本发明设计的系统为了方便应用选择延伸导线法。当选择延伸导线法处理冷端温度时，需要对冷端温度进行补正。常用的补正方法有：热电动势补正法，温度补正法，调仪表补正法和电桥补正法。其中，调仪表补正法和电桥补正法更为简便易行。若采用电子电位差计做热电偶的显示仪表，或采用新型数字显示仪表时，由于它们的检测桥路中已有冷端温度补偿电阻，只需用延伸导线将热电偶冷端连接到接线端子板上即可完成冷端处理。2）热电偶测温系统不可避免存在误差，来源主要有：基本误差，冷端温度变化误差，环境影响误差及控制仪表误差等。延伸导线、冷端补偿电桥等冷端温度变化误差可根据所选热电偶型号查得。在使用过程中主要需要避免的为环境影响误差。3）应用热电偶测温时应尽量减轻对铸件温度场的干扰。侧面引入热电偶需要查看并尽量保证径向热流的对称性。轴向引入的热电偶应尽量减少其截面。一般认为，当热电偶截面积小于整个铸件截面积的10%以内，可以基本消除热电偶的干扰。因此，在可能的情况下，尽量采用细小的热电偶。

当确定了热电偶的型号和大小，利用下边的方法确定热电偶的个数n：1）根据选定的热电偶确定其特征尺寸，即其直径d；2）然后利用d/(L/n)≤10%（其中L为高温合金铸件沿定向凝固方向，即轴向的特征尺寸），即n≤L/(10d)来确定热电偶的个数的上限值；3）根据增加测点可以更真实地还原铸型温度场这一原则，最终确定热电偶的数目n；即，n等于不大于L/(10d)的最大值。

热电偶在横截面的安装位置确定方法也遵循尽量减少热电偶干扰这一原则，因此热电偶应尽量安装在铸件结构不连续的部位，如空心涡轮叶片的定向凝固过程，可以将热电偶安装在叶片后缘处，即排气边部位，因为这些部位其结构本身不连续，所处的热场等物理场也处于非连续部位，这样布置热电偶可以将物理场的改变降到最低。另外，可以根据电路的设计来补偿高温合金结构定向凝固的热场，使其满足需求的物理场状况。

红外测温仪：根据性能指标，如温度范围（高于1600℃）、工作波长、测量精度、响应时间等；环境和工作条件方面，如环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等进行选择。

选择工业红外测温仪，如Raytek、Omega公司生产的高温测温仪。

注意：测温时应尽量选用短波；尽量选择双色测温仪，如果选用单色测温仪，被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。

如果选用了红外测温仪这类非接触式测温装置，要注意所测得温度实际上是模壳外壁的温度。根据傅里叶热传导规律，内部金属液的温度与外壁的温度有关系其中T_i、T_o分别是模壳内外壁温度，δ是模壳厚度，λ是模壳材料热传导系数，q是热流密度。δ在模壳设计阶段已经确定，λ与模壳的材料参数性能相关，q可以在测试之前利用热流计进行标定，所以可视为常数。因此，高温合金金属液的温度为T_i=T_o+c，即红外测温仪测定的温度加一个常数；而公式T_i=T_o+c可以用力电气网络的设计来实现。

选用红外测温仪对金属液温度测定的另一种方法是在系统设计前对模壳内外壁温度规律进行试验分析，得出规律，然后设计电器网络来获得模壳内壁，及金属液的温度T_i。

二、执行元件的选取

本发明提出的方法中设计的系统执行元件的选取要根据定向凝固炉的实际情况而定。如果定向凝固炉中具有模壳驱动整体结构，由可人为改装的电气网络控制，且驱动系统的参数合适；那么执行元件仍然由原驱动电机担任。如果有条件不符合系统使用要求，则需要重新选择本系统适合的执行元件。

本发明提出的方法中设计的系统选取的执行元件主要为伺服电动机。可以选择直流伺服电动机或永磁交流伺服电动机。其具体型号的选择方法为：1）首先确认转速和编码器分辨率。2）电机轴上负载力矩的折算和加减速力矩的计算。3）计算负载惯量，惯量的匹配。惯量匹配越小越好，对精度和响应速度好。4）再生电阻的计算和选择，对于伺服，一般2kw以上，要外配置。5）电缆选择，编码器电缆双绞屏蔽。

其调试方法为：1）初始化参数。在接线之前，先初始化参数。在控制卡上：选好控制方式，将PID参数清零；让控制卡上电时默认使能信号关闭；将此状态保存，确保控制卡再次上电时为此状态。在伺服电机上：设置控制方式；设置使能由外部控制；编码器信号输出的齿轮比；设置控制信号与电机转速的比例关系。一般来说，建议使伺服工作中的最大设计转速对应9V的控制电压。2）接线。将控制卡断电，连接控制卡与伺服之间的信号线。以下的线是必须要接的：控制卡的模拟量输出线、使能信号线、伺服输出的编码器信号线。复查接线没有错误后，电机和控制卡（以及PC）上电。此时电机应该不动，而且可以用外力轻松转动，如果不是这样，检查使能信号的设置与接线。用外力转动电机，检查控制卡是否可以正确检测到电机位置的变化，否则检查编码器信号的接线和设置。3）试方向。通过控制卡打开伺服的使能信号。这是伺服应该以一个较低的速度转动，即“零漂”。一般控制卡上都会有抑制零漂的指令或参数。使用这个指令或参数，看电机的转速和方向是否可以通过这个指令（参数）控制。如果不能控制，检查模拟量接线及控制方式的参数设置。确认给出正数，电机正转，编码器计数增加；给出负数，电机反转，编码器计数减小。如果电机带有负载，行程有限，请勿采用该方式。测试不要给过大的电压，建议在1V以下。如果方向不一致，可以修改控制卡或电机上的参数，使其一致。4）抑制零漂。使用控制卡或伺服上抑制零飘的参数，仔细调整，使电机的转速趋近于零。由于零漂本身也有一定的随机性，所以，不必要求电机转速绝对为零。5）建立闭环控制。再次通过控制卡将伺服使能信号放开，在控制卡上输入一个较小的比例增益。比例增益是根据经验选取的，可选择控制卡能允许的最小值。6）调整闭环参数。细调控制参数，确保电机按照控制卡的指令运动。

注意事项：1）伺服电机油和水的保护。伺服电机可以用在会受水或油滴侵袭的场所，但是它不是全防水或防油的。因此，伺服电机不应当放置或使用在水中或油侵的环境中。如果伺服电机连接到一个减速齿轮，使用伺服电机时应当加油封，以防止减速齿轮的油进入伺服电机。伺服电机的电缆不要浸没在油或水中。2）伺服电机电缆。确保电缆不因外部弯曲力或自身重量而受到力矩或垂直负荷，尤其是在电缆出口处或连接处。在伺服电机移动的情况下，应把电缆（就是随电机配置的那根）牢固地固定到一个静止的部分（相对电机），并且应当用一个装在电缆支座里的附加电缆来延长它，这样弯曲应力可以减到最小。电缆的弯头半径做到尽可能大。3）伺服电机允许的轴端负载。确保在安装和运转时加到伺服电机轴上的径向和轴向负载控制在每种型号的规定值以内。在安装一个刚性联轴器时要格外小心，特别是过度的弯曲负载可能导致轴端和轴承的损坏或磨损。最好用柔性联轴器，以便使径向负载低于允许值，此物是专为高机械强度的伺服电机设计的。关于允许轴负载，请参阅“允许的轴负荷表”（使用说明书）。4）伺服电机安装注意。在安装/拆卸耦合部件到伺服电机轴端时，不要用锤子直接敲打轴端。（锤子直接敲打轴端，伺服电机轴另一端的编码器要被敲坏）。竭力使轴端对齐到最佳状态（对不好可能导致振动或轴承损坏）。

三、反馈元件的选取

本发明提出的方法中设计的系统选取的反馈元件为测速发电机。选用测速发电机时，应根据系统的频率、电压、工作速度范围和在系统中所起的作用来选。在本发明中，测速发电机主要用于速度检测，要求灵敏度高，转动惯量小。可以选择直流测速机。

在测速机实际运行过程中，电压和转速之间并不能严格地保持正比关系，即存在误差。以下给出几种误差的解决方法。1）电枢反应误差：采用最高转速或最小负载电阻；或在定子磁极上安装补偿绕组来消除。2）延迟换向误差：通常采用限制最高转速来减小。3）温度影响：励磁回路串联热敏电阻并联网络，或串联阻值较大、温度系数很小的附加电阻；另外将磁路设计饱和可以降低影响。4）电刷接触压降的影响：采用接触压降小的电刷来减小。5）保证使用周围不存在无线电干扰。

四、比较元件

本发明提出的方法中设计的系统选择电位计为比较元件。

使用比较元件的注意事项：1）电位计之电阻体大多采用多碳酸类的合成树脂制成，应避免与以下物品接触：氨水，其它胺类，碱水溶液，芳香族碳氢化合物，酮类，脂类的碳氢化合物，强烈化学品（酸碱值过高）等，否则会影响其性能。2）电位计之端子在焊接时应避免使用水容性助焊剂，否则将助长金属氧化与材料发霉；避免使用劣质焊剂，焊锡不良可能造成上锡困难，导致接触不良或者断路。3）电位计的端子在焊接时若焊接温度过高或时间过长可能导致对电位器的损坏。插脚式端子焊接时应在235℃±5℃，3秒钟内完成，焊接应离电位计本体1.5mm以上，焊接时勿使用焊锡流穿线路板；焊线式端子焊接时应在350℃±10℃，3秒钟内完成。且端子应避免重压，否则易造成接触不良。4）焊接时，松香（助焊剂）进入印刷机板之高度调整恰当，应避免助焊剂侵入电位器内部，否则将造成电刷与电阻体接触不良，产生杂音等现象。5）电位计的接线方式宜选择“1”脚接地。6）电位计表面应避免结露或有水滴存在，避免在潮湿地方使用，以防止绝缘劣化或造成短路。7）安装电位计在固定螺母时，强度不宜过紧，以避免破坏螺牙。8）在电位计套上旋钮的过程中，所用推力不能过大（不能超过《规格书》中轴的推拉力的参数指标），否则将可能造成对电位器的损坏。9）电位计回转操作力（旋转或滑动）会随温度的升高而变轻，随温度降低而变紧。若电位计在低温环境下使用时需说明，以便采用特制的耐低温油脂。10）电位计碳膜的功率能承受周围的温度为70℃，当使用温度高于70℃时可能会丧失其功能。

实施例：

以下给出了一个具体的系统设计实例。

1.电气原理简介

抽拉速率自动控制系统的电气原理如图4所示。该系统的输入量是热电偶测定的温度，经热电偶的热点效应转换成电压，然后经过延伸导线A′和B′，并采用补偿电桥后获得自动控制输入电压U_i，输出量是定向凝固炉抽拉速率设定系统电压U_o。本系统使用两个运算放大器μA741，第一个是在热电偶读取了温度电压后进行放大，构成输入电压部分的PID校正环节，改善系统的静态和动态性能；第二个是在电位计比较电压后的放大，构成自动控制系统的PI校正环节，可以增大系统的开环增益，提高了系统的稳态增益。本系统使用一个功率放大器，由前置放大器MC1536和三级互补跟随器组成，具有较高的输入阻抗。系统中设置了速度和位置两个反馈环节，用来增加系统阻尼，改善传递特性的线性度，进一步提高了系统的静态和动态品质。位置反馈和速度反馈分别由电位计WHJ-1.5kΩ、测速发电机70CYD-1和速度反馈分压电位计完成。

2.选用的元件及其这样技术参数

（1）热电偶（给定元件）

选择WRR-130（B型，即铂铑30-铂铑6型）热电偶为给定元件，详细参数见表2。其中，直径为Φ16mm，根据n≤L/(10d)（L为叶片铸型轴向长度，L=480mm）确定热电偶的个数n=3。

表2：WRR-130规格表

（2）测速发电机（反馈元件）

选择CYD系列永磁式直流测速电动机机70CYD-1。主要技术参数见表3。

表3：70CYD-1技术参数

（3）电位计（位置反馈）

选择WHJ-1.5kΩ电位计。

（4）放大器

前置放大器选择MC1536。其主要技术参数如下：最大供给电压±40Vdc，输出电压摆幅±30Vpk，输入偏置电流20nA，输入补偿电流3.0nA，快速转换速度2.0V/μs，独立的电源电压特性±5Vdc～±36Vdc。

运算放大器选择μA741，其参数见表4所示。

表4：μA741型运算放大器的典型性能参数表

Claims (8)

1.一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）沿高温合金铸件的定向晶生长方向在铸型的外壁上设置若干热电偶；

2）当铸型自定向凝固炉保温室以初始抽拉速率V₀′向定向凝固炉冷却室中移动时，沿定向晶生长方向首先到达冷却装置的热电偶设为第1热电偶，其沿定向晶生长方向的坐标为Z₁，此时，当第1热电偶测定的温度下降至凝固等温线T_{solidification}时，记录时间为t₁；

3）当铸型自定向凝固炉保温室以初始抽拉速率V₀′向定向凝固炉冷却室中继续移动时，沿定向晶生长方向其次到达冷却装置的热电偶设为第2热电偶，其沿定向晶生长方向的坐标为Z₂，此时，当第2热电偶测定的温度下降至高温合金铸件的凝固等温线T_{solidification}时，记录时间为t₂；

4）由上述步骤2）和3）可知，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z₂时的生长速率为V₂=(Z₂-Z₁)/(t₂-t₁)=ΔZ₂/Δt₂，进而得出，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时的生长速率为V_i=(Z_i-Z_i-1)/(t_i-t_i-1)=ΔZ_i/Δt_i，其中，i=1,2，…；

5）依据抽拉速率V′和生长速率V的关系式可知，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率

式中，S_i为已凝固部分的长度，由步骤4）知，S_i=Z_i（i=1，2，…），z为定向晶生长方向的坐标轴，是抽拉速率和高温合金铸件长度的函数，由上述步骤可知其中，ΔZ_i=Z_i-Z_i-1；

从而，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率

$V_i^{\&prime;}=V_i/\left(\frac{\&PartialD;S_i}{\&PartialD;z}\right)=\frac{\mathrm{\&Delta;}{Z}_i}{\mathrm{\&Delta;}{t}_i}/\frac{Z_i}{\mathrm{\&Delta;}{Z}_i}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{Z_i}^2}{Z_i\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{t}_i};$

6）依据步骤5）得出的高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率V_i′，然后据此实时地调整铸型的抽拉速率。

2.如权利要求1所述的一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，其特征在于，步骤1）中，在铸型设计时就预设若干热电偶埋入孔，埋入孔的周向选址位于铸型周向具有温度梯度的位置；各个埋入孔处于一条平行于定向晶生长方向的直线上；埋入孔的数目n≤L/(10d)，其中L为铸型沿高温合金铸件的定向晶生长方向的总长，d为热电偶直径。

3.如权利要求1所述的一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，其特征在于，步骤1）中，热电偶截面积小于高温合金铸件截面积的10%，且热电偶在铸型的外壁设置时，其端面与铸型的内壁平齐。

4.如权利要求1所述的一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，其特征在于，步骤2）中，将定向晶生长起始点的铸型下端面纵向坐标设置为Z₀=0；当第1热电偶测定的温度开始下降时，记为时间数据记录起始点t₀=0。

5.如权利要求1所述的一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，其特征在于，步骤2）和3）中，高温合金铸件的凝固等温线T_{solidification}的计算公式为：T_{solidification}=T_solidus+0.1×(T_liquidus-T_solidus)，其中，T_solidus为固相线温度，T_liquidus为液相线温度。

6.一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将红外测温仪设置在定向凝固炉冷却装置的下边缘；

2）当铸型自定向凝固炉保温室以初始抽拉速率V₀′向定向凝固炉冷却室中移动时，设铸型定向晶生长起始点所在端面移至红外测温仪测温点处的坐标为Z₀=0，并记为时间数据记录起始点t₀=0；

3）设定红外测温仪测温时间间隔为Δt，每间隔Δt时间，测定一个铸型移动距离Z_i和该测温点的温度值T_i，其中i=1，2，…；

4）当红外测温仪测得的温度值T_i高于高温合金铸件的凝固等温线T_{solidification}时，测得该测温点铸型移动距离Z_c,i和经过的时间间隔个数m，根据公式V_i=ΔZ_i/Δt_i，得出该测温点铸型的瞬时生长速率为V_i=(ΔZ_c,i-ΔZ_c,i-1)(m·Δt)，其中，ΔZ_i=Z_c,i-Z_c,i-1，Z_c,0=0，Δt_i=m·Δt；

5）依据抽拉速率V′和生长速率V的关系式可知，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率

式中，S_i为已凝固部分的长度，由步骤4）知，S_i=Z_c,i（i=1，2，…），z为定向晶生长方向的坐标轴，是抽拉速率和高温合金铸件长度的函数，由上述步骤可知其中，ΔZ_i=Z_c,i-Z_c,i-1；

从而，高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_i时所需的抽拉速率

$V_i^{\&prime;}=V_i/\left(\frac{\&PartialD;S_i}{\&PartialD;z}\right)=\frac{\mathrm{\&Delta;}{Z}_i}{\mathrm{\&Delta;}{t}_i}/\frac{Z_{c,i}}{\mathrm{\&Delta;}{Z}_i}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{Z_i}^2}{Z_{c,i}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{t}_i}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{Z_i}^2}{m\&CenterDot;Z_{c,i}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}};$

6）依据步骤5）得出的高温合金铸件在定向晶生长方向坐标为Z_c,i时所需的抽拉速率V_i′，然后据此实时地调整铸型的抽拉速率。

7.如权利要求6所述的一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，其特征在于，步骤3）中，测温时间间隔Δt的设定原则为：Δt<1/V_i。

8.如权利要求6所述的一种实现定向凝固铸造中铸型变抽拉速率的方法，其特征在于，步骤4）中，高温合金铸件的凝固等温线T_{solidification}的计算公式为：T_{solidification}=T_solidus+0.1×(T_liquidus-T_solidus)，其中，T_solidus为固相线温度，T_liquidus为液相线温度。