單晶葉片制造工藝

單晶葉片籽晶法

首先將和所要鑄造的單晶部件具有相同材料的的籽晶安放在模殼的最底部,然后將過(guò)熱的熔融金屬液澆注在籽晶上面,使籽晶部分熔化,再恰當(dāng)?shù)乜刂乒桃航缑媲把匾后w中的溫度梯度和晶體的生長(zhǎng)速度,金屬熔液就會(huì)從未被熔化的籽晶部分開始往金屬液中生長(zhǎng),并最終形成晶體取向與籽晶相同的單晶。

單晶葉片選晶法

選晶法是單晶高溫合金葉片制備中最基本的工藝方法. Higginbotham把常用的單晶選晶器結(jié)構(gòu)歸納為四種類型:螺旋型、傾斜型、轉(zhuǎn)折型、尺度限制型(縮頸型)隨著單晶高溫合金研究的發(fā)展,螺旋型選晶器逐漸淘汰掉其他三種選晶器,成為目前應(yīng)用最廣泛也是最成功的選晶器類型。 　選晶法的原理就是利用選晶器的這種狹窄界面,只允許一個(gè)晶粒長(zhǎng)出它的頂部,然后這個(gè)晶粒長(zhǎng)滿整個(gè)型腔,從而得到單晶體. 其晶體競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)機(jī)制是:螺旋結(jié)構(gòu)總的攀升走向正好與散熱方向相反,致使螺旋體內(nèi)散熱均勻,因此在整個(gè)螺旋形生長(zhǎng)過(guò)程中,位向最適合生長(zhǎng)的那個(gè)晶粒將其他眾多的初生晶粒一一淘汰,不斷長(zhǎng)出枝晶并最終進(jìn)入試樣本體成為單晶鑄件. 　至于鎳基單晶合金，在鎳的Gamma固溶態(tài)中，有大量分散結(jié)晶構(gòu)造稍為不同的Gamma基本態(tài)，只要將這種結(jié)晶單晶化，在定向凝固合金中，增加Gamma基本態(tài)，提高高溫強(qiáng)度。鎳基單晶合金基本上消除定向凝固高溫合金的限制。F119的渦輪葉片是用第三代單晶作的，DD3可能是第一代。

單晶葉片英文名稱：single crystal blade,經(jīng)過(guò)了3代發(fā)展。第一代是 ：鎳基高溫合金 第2代是 ： 定向晶界的多晶

定義：只有一個(gè)晶粒的鑄造葉片。 定向結(jié)晶葉片消除了對(duì)空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應(yīng)力軸方向，從而改善了合金的使用性能。單晶葉片消除了全部晶界，不必加入晶界強(qiáng)化元素，使合金的初熔溫度相對(duì)升高，從而提高了合金的高溫強(qiáng)度，并進(jìn)一步改善了合金的綜合性能。 單晶葉片整個(gè)鑄件由一個(gè)晶粒組成的鑄造高溫合金。這是繼定向凝固鑄造高溫合金之后，進(jìn)一步提高合金強(qiáng)度和使用溫度的一條途徑。單晶葉片鑄件的理想組織是葉根、葉身和葉冠，都由毫無(wú)缺陷的多相單晶體組成。晶體取向應(yīng)是〈001〉方向，并與葉片主應(yīng)力軸方向之間的偏離不應(yīng)大于10度。單晶鑄件可以用與定向凝固相同的設(shè)備和工藝制備，與定向凝固鑄件的區(qū)別只在于在水冷底盤的上部加入選晶器或仔晶，以便控制單一晶體進(jìn)入鑄件。簡(jiǎn)史初期的單晶鑄造高溫合金采用普通鑄造高溫合金成分，在此情況下，單晶鑄造高溫合金與定向凝固鑄造高溫合金相比，除了改善橫向強(qiáng)度和塑性外，其他性能并無(wú)明顯改善。20世紀(jì)70年代末，出現(xiàn)了去掉晶界強(qiáng)化(見高溫合金晶界強(qiáng)化)元素的單晶鑄造高溫合金，如美國(guó)的PwAl480、NASAIRl00。碳、硼、鋯、鉿等晶界強(qiáng)化元素去除后，提高了合金的初熔溫度，從而允許提高固溶處理溫度，獲得更細(xì)小、彌散的Y’相(見高溫合金材料的金屬間化合物相)，使合金的潛力得到更充分發(fā)揮。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，出現(xiàn)了20多種單晶鑄造高溫合金。這些合金可以分為三代：第一代以PwAl480為代表，其承溫能力比最好的定向凝固鑄造高溫合金PwAl422有25℃的優(yōu)勢(shì)；第二代以PwAl484為代表，比第一代又提高了25℃；正在研制的是第三代單晶合金。

單晶爐是一種在惰性氣體（氮?dú)?、氦氣為主）環(huán)境中,用石墨加熱器將多晶硅等多晶材料熔化,用直拉法生長(zhǎng)無(wú)錯(cuò)位單晶的設(shè)備。

購(gòu)買技術(shù)主要要求

1.單晶爐裝料量（單臺(tái)機(jī)產(chǎn)能多少） 2. 能拉多長(zhǎng)、幾寸的硅棒 3. 拉制晶棒的成品率是多少4拉出硅棒品質(zhì)（少子壽命、電阻率、碳氧含量、位錯(cuò)密度） 5設(shè)備制造工藝控制保證 6自動(dòng)化控制程度 7設(shè)備主要關(guān)鍵部件的配置等 。

單晶爐型號(hào)定義

單晶爐型號(hào)有兩種命名方式，一種為投料量，一種為爐室直徑。比如85爐，是指主爐筒的直徑大小，120、150等型號(hào)是由裝料量來(lái)決定的

單晶爐主要需要控制的方面

一、晶體直徑（尺寸）

二、溫度（功率控制）

三、原料（硅料）

四、泄漏率，氬氣質(zhì)量等

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單晶爐熱場(chǎng)的設(shè)計(jì)與仿真

單晶直徑在生長(zhǎng)過(guò)程中可受到溫度，提拉速度與轉(zhuǎn)速，坩堝跟蹤速度與轉(zhuǎn)速，保護(hù)氣體的流速等因素的影響。其中溫度主要決定能否成晶，而速度將直接影響到晶體的內(nèi)在質(zhì)量，而這種影響卻只能在單晶拉出后通過(guò)檢測(cè)才能獲知。溫度分布合適的熱場(chǎng)，不僅單晶生長(zhǎng)順利，而且品質(zhì)較高；如果熱場(chǎng)的溫度分布不是很合理,生長(zhǎng)單晶的過(guò)程中容易產(chǎn)生各種缺陷,影響質(zhì)量，情況嚴(yán)重的出現(xiàn)變晶現(xiàn)象生長(zhǎng)不出來(lái)單晶。因此在投資單晶生長(zhǎng)企業(yè)的前期，一定要根據(jù)生長(zhǎng)設(shè)備，配置出最合理的熱場(chǎng)，從而保證生產(chǎn)出來(lái)的單晶的品質(zhì)。在晶體生長(zhǎng)分析與設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真是相輔相成的，其過(guò)程可以分為兩個(gè)部分：

（1）在第一階段,利用引上法晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬參數(shù)的調(diào)整。

（2）在第二階段,利用數(shù)值模擬是用來(lái)確定最佳的晶體生長(zhǎng)工藝參數(shù)。

數(shù)值仿真是用來(lái)獲得廉價(jià)的，完整的和全面細(xì)節(jié)的結(jié)晶過(guò)程，以此方法用來(lái)預(yù)測(cè)晶體生長(zhǎng),改善晶體生長(zhǎng)技術(shù)。數(shù)值模擬是當(dāng)實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用太昂貴或無(wú)法常規(guī)進(jìn)行時(shí)一種非常有用或必不可少的方法。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于無(wú)經(jīng)驗(yàn)人員，可以形象化展示熔體流動(dòng)的歷史點(diǎn)缺陷和熱應(yīng)力細(xì)節(jié)。所以數(shù)值仿真是一種達(dá)到較高生產(chǎn)率和較好滿足市場(chǎng)對(duì)晶體直徑，質(zhì)量要求的最好辦法。面向過(guò)程的仿真軟件FEMAG為用戶提供了可以深入研究的數(shù)值工具,用戶通過(guò)有效的計(jì)算機(jī)模擬可以設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作流程。通過(guò)對(duì)單晶爐熱場(chǎng)的仿真計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)單晶爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在拉晶過(guò)程中以仿真結(jié)果設(shè)定合理的理論拉晶曲線，就可以在實(shí)際生產(chǎn)中是完全可以生長(zhǎng)出合格的單晶棒。

葉片按用途可分為動(dòng)葉片（又稱工作葉片，簡(jiǎn)稱葉片）和靜葉片（又稱導(dǎo)葉葉片）兩種。

動(dòng)葉片安裝在轉(zhuǎn)子葉輪（沖動(dòng)式汽輪機(jī)）或轉(zhuǎn)鼓（反動(dòng)式汽輪機(jī)）上，接受靜葉柵射出的高速汽流。把蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

靜葉片安裝在隔板或持環(huán)套上。在靜葉柵中，蒸汽的壓力和溫度降低。流速增加，將熱力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。

葉片是汽輪機(jī)中數(shù)量和種類最多的關(guān)鍵零件，其結(jié)構(gòu)型線、工作狀態(tài)將直接影響能量轉(zhuǎn)換效率，因此其加工精度要求高，它所占加工量約為整個(gè)汽輪機(jī)加工量的30%，可批量生產(chǎn)。

葉片的工作條件很復(fù)雜，除兇高速旋轉(zhuǎn)和汽流作用而承受較高的靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力外，還因其分別處在過(guò)熱蒸汽區(qū)、兩相過(guò)渡區(qū)（指從過(guò)熱蒸汽區(qū)過(guò)渡到濕蒸汽區(qū)）和濕蒸汽區(qū)段內(nèi)工作而承受高溫、高壓、腐蝕和沖蝕作用，因此它的結(jié)構(gòu)、材料和加工、裝配質(zhì)量對(duì)汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有極大的影響。所以存設(shè)計(jì)、制造葉片時(shí)，既要考慮到有足夠的強(qiáng)度和剛度，又要有良好的型線，以提高汽輪機(jī)的效率。

對(duì)于在高溫區(qū)工作的葉片，應(yīng)考慮材料的蠕變問(wèn)題；對(duì)于在濕蒸汽區(qū)工作的葉片，應(yīng)考慮材料受濕蒸汽沖蝕的問(wèn)題。任何一只葉片的斷裂都有可能造成嚴(yán)重事故。實(shí)踐表明，汽輪發(fā)生的事故以葉片部分的為最多，所以必須給予足夠的重視。

葉片一般由葉根、工作部分（或稱葉身、葉型部分）、葉頂連接件（圍帶）或拉筋組成，如圖1所示。

1．葉根部分

葉片是通過(guò)葉根與葉輪或轉(zhuǎn)鼓相連接的。葉根的作用是將動(dòng)葉嵌固在葉輪輪緣或轉(zhuǎn)鼓凸緣的溝槽里，在汽流的作用力和旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，使葉片不至于從溝槽里甩出來(lái)；因此要求它與葉輪輪緣或轉(zhuǎn)鼓凸緣的配合部分要有足夠的配合精度和強(qiáng)度，而且應(yīng)力集中要小。所以，葉根與輪緣或葉根與轉(zhuǎn)鼓槽的結(jié)構(gòu)是否適當(dāng)，對(duì)葉片的安全運(yùn)行起著重要的作用。

工作葉片一般用單支承面或多支承面的葉根固定在溝槽中，隨著葉片高度和重量的增加，葉根所受的作用力增大，應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地增加葉片根部支承而的數(shù)目，即要采用不同型式的葉根結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代汽輪機(jī)常用的葉根結(jié)構(gòu)型式有T形、外包T形、雙T形、菌形、叉形、樅樹形等，其適用范圍和裝配要求各不相同。

2．葉型部分

葉型部分是指葉片的工作部分。葉片工作部分的橫截面形狀稱為葉型。葉型的周線稱為型線。相鄰葉片的葉型部分構(gòu)成蒸汽流動(dòng)的通道，它要求具有良好的空氣動(dòng)力特性的型線，以減少汽流的能量損失，提高機(jī)組的內(nèi)效率。同時(shí)還要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和加工工藝的要求。

按工作原理不同，汽輪機(jī)的級(jí)分為沖動(dòng)級(jí)和反動(dòng)級(jí)兩大類。沖動(dòng)級(jí)動(dòng)葉片的進(jìn)、出口壓差不大，級(jí)的反動(dòng)度較小，蒸汽在動(dòng)葉柵中的膨脹程度不大，動(dòng)葉柵流通截面積稍呈漸縮形；反動(dòng)級(jí)動(dòng)葉片的進(jìn)、出口壓差較大，級(jí)的反動(dòng)度大，蒸汽在動(dòng)葉柵中的膨脹程度與導(dǎo)葉柵差不多，動(dòng)葉柵流通橫截面與導(dǎo)葉葉柵的幾何形狀相似，如圖2所示。

按葉片的截面形狀沿葉高是否變化，可以把葉片分為等截面葉片、變截面葉片和扭曲葉片。等截面葉片的葉型形狀和截面面積沿葉高是不變的，也稱為直葉片；變截面葉片的葉型截面面積沿葉高按一定的規(guī)律變化，各截面面積不相等；若葉片不同高度各橫截面逐漸扭轉(zhuǎn)一定角度，且各截面面積不相等，則稱為扭曲葉片。

3．葉頂部分

為了使動(dòng)葉片之間組成良好的通道，保證汽流沿外緣周界上的良好流動(dòng)性，降低漏汽損失，提高級(jí)的效率，通常葉片的葉頂上都裝有圍帶（復(fù)環(huán)），將動(dòng)葉片連成葉片組。成組葉片也提高了葉柵的剛度，降低了葉片中的彎曲應(yīng)力，改善其頻率特性；在扭曲葉‘片加裝圍帶后，能限制動(dòng)葉片外緣部分在蒸汽作用力下發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

隨著成組方式的不同，葉頂結(jié)構(gòu)也各不相同。整體圍帶結(jié)構(gòu)型式，圍帶和葉片實(shí)為一個(gè)整體部件，葉片裝好后頂板互相靠緊即形成一圈圍帶，圍帶之問(wèn)可以焊接，這種結(jié)構(gòu)稱為焊接圍帶；也可以不焊接。整體圍帶一般用于短葉片。將3～5mm厚的扁平鋼帶，用鉚接方法固定在葉片頂部，稱為鉚接圍帶。采用鉚接圍帶結(jié)構(gòu)的葉頂必須做出與圍帶上的孔相配合的凸出部分（鉚頭），以備鉚接?？紤]到有熱膨脹，各成組葉片的圍帶間留有約1mm的膨脹間隙。