CN101845541B - 双合金盘类件电阻加热梯度热处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双合金盘类件电阻加热梯度热处理装置，该装置由梯度热处理炉和水冷装置组成。梯度热处理炉由两个半圆炉体构成，其内的支承隔离墙、保温盖和耐火炉衬将加热区与热传递区分开为内室与外室，内室外圆墙体上布有电阻带，主要为高温辐射加热，外室无热源，与外部大气相通，在支承隔离墙顶部与保温盖的下部留有放置盘类件的间隙，双合金连接区置于支承隔离墙顶部，并用硅酸铝纤维封住内室与外室的间隙，使处于外室内的盘芯部位温升，依靠盘件本身的热传导提供热量，实现盘类件的梯度热处理。大温度梯度的获得主要依赖在外室内盘芯区域放置水冷装置，通过循环水将外室内多余的热量带走。内室温度由热电偶自动控制，外室温度由热电偶监控，温度梯度则由人工调节。
Description
技术领域
本发明涉及金属热处理设备，具体地说，涉及一种双金属盘类件或单一合金双重组织、双重性能盘类件的电阻加热梯度热处理装置。
背景技术
近十余年，随着双金属构件需求的增长，特别是大推重比发动机由于提高工作温度、降低结构重量对双重性能的压气机盘、涡轮盘的需求，在双合金盘或单一合金双重组织、双重性能盘加工、制造及研究工作中，需要对具有不同热加工温度、热处理制度的两种材料所构成的双合金盘形件在锻造后进行梯度热处理，特别是双合金盘件不能使用普通加热炉进行热处理。现有的公开文献“Application of heat-resistant titanlium-based compressor disk with dual structure”，Materials Science and Engineering A213(1996)124-127和“DUAL-MICRO HEATTREAT”，ADVANCED MATERIALS & PROCESSES/JULY 2003，36-39提到的梯度热处理是采用高频电感应加热器产生的感应电流，在涡流效应的作用下加热盘件盘缘，尔后通过盘件金属本身的热传导向盘芯传热，形成温度梯度；电感应加热由于是自身发热，温度不容易控制。控制盘缘区域的实际温度，需要随时不断调节电功率大小，使设备变得复杂，给实际操作带来不便，成本大幅度提高。另一梯度热处理方法是将盘件的低温部位用绝热材料包裹住，其内插入热电偶，然后放入炉中，未包裹的部分很快到达设定温度，而包裹住的部分则靠热传导缓慢升温，这种方法只适合温差不大，热处理时间不长的情况下，且低温部位的温度不能调节。
发明内容
本发明针对现有技术中所存在的上述问题，提出了一种适用于大温度梯度双金属盘类锻(焊)件的梯度热处理装置，其主要解决的技术问题在于：该装置可形成高达300℃-400℃的温度梯度；盘类件梯度热处理时处于高温内室中的部分和处于低温外室中的部分的温度均匀性；温度易测量与易控制。
本发明的梯度热处理装置由梯度加热炉和水冷装置构成，梯度加热炉形成较小的温度梯度(50-70℃)，放入水冷装置后可形成较大的温度梯度(约300℃，当只放入一个水冷装置时)。
本发明的梯度热处理装置中的梯度热处理炉由两个半圆的支承隔离墙、耐火炉衬和保温盖合拢形成高温内室和低温外室，内室内置有电阻带以产生高温辐射；外室无热源，上下可与大气相通，待处理盘芯部位的温度的上升主要依赖于盘件本身的热传导，并可根据温度梯度大小决定是否封闭外室上下通口，让炉内空气与外部大气连通，还可在外室内盘试样上方的热电偶固定块上放置水冷装置，以加大温度梯度。
本发明的梯度热处理装置中的水冷装置，由流水块、过水槽块、及管接头组成，流水块内开有进、出水通孔，过水槽块内的过水槽采用漫流形式，以冷却整个底面；使用时紧贴在热电偶固定块上，依靠调节水冷装置内水流速度控制带走热量的多少，保证盘芯始终处于设定的温度，从而实现盘缘与盘芯所需求的大温差(300～400℃)。
为了解决连接部位具有不同直径的双合金盘类件的梯度热处理，本发明中两个半圆的支承隔离墙顶部和保温盖底部的内外半径可根据构成双合金盘的双合金结合(焊合)处直径大小确定，在支承隔离墙和保温盖之间留有放热处理件的间隙空间，盘试样放在所留间隙处，环形焊缝放在支承隔离墙顶部上，此间隙用硅酸铝纤维密封。这样内室因置有发热体，为辐射高温区，外室无热源，外室温度的升高所需热量主要来自热处理件、隔墙材料的热传导。
本发明的梯度热处理装置内室的温度由2支热电偶连接到温控仪上对内室温度进行自动控制，外室温度由放在试样上方与热电偶固定块槽内的热电偶进行监控。本发明梯度热处理炉中的支承隔离墙和耐火炉衬由低密度高温水泥浇注料制成，支承隔离墙除可承担盘试样重量外，还与保温盖、硅酸铝纤维一起隔离辐射；保证处于外室中的盘芯部位只能依赖材料本身的热传导升温；保温盖为硅酸铝纤维整体压缩而成，它具有重量轻，隔热、隔辐射性能好、又易于维修的优点，当更换内室中的电阻带时，只需移走炉盖和保温盖，就可方便地更换电阻带。
本发明的梯度热处理炉炉底板下安装有六个万向轮，两半圆炉体闭合后由闭合锁扣锁住，也无需特殊的固定装置，开启、闭合、移动十分方便，特别适合操作场地受限的研究单位。
附图说明
下面结合附图对本发明的双合金盘类件电阻加热梯度热处理装置作进一步详细描述。
图1为本发明双合金盘类件电阻加热梯度热处理装置沿A-A线剖视图。
图2为本发明双合金盘类件电阻加热梯度热处理装置的俯视图。
图3为本发明双合金盘类件电阻加热梯度热处理装置中水冷装置结构示意图。
图4为本发明双合金盘类件电阻加热梯度热处理装置中水冷装置结构俯视图。
图5为本发明双合金盘类件电阻加热梯度热处理炉外室测温热电偶固定块示意图。
图6为本发明双合金盘类件电阻加热梯度热处理炉外室测温热电偶固定块俯视图。
图7Ti3Al/TC11双合金模拟盘梯度热处理第一次固溶时，外室温度及波动情况。
图8Ti3Al/TC11双合金模拟盘梯度热处理第一次时效时，外室温度及波动情况。
图9Ti3Al/TC11双合金模拟盘梯度热处理第二次时效时，外室温度及波动情况。
1-炉盖 2-热电偶 3-硅酸铝纤维 4，6-进、出水管 7-热电偶
8-保温盖 9-接线柱 10-接线柱 11-外保温层 12-炉壳 13-炉底板
14-绝热板 15-耐火炉衬 16-试样 17-热电偶固定块 18-支承隔离墙
19-电阻带 20-万向轮 21-连接轴套 22-吊环 23-闭合锁扣
5-水冷装置
a-管接头 b-吊环 c-管接头 d-流水块 e-密封圈 f-过水槽块
具体实施方式
如图1所示，为本发明双合金盘类件电阻加热梯度热处理装置的结构，由梯度加热炉和水冷装置5构成，梯度加热炉形成较小的温度梯度(50-70℃)，放入水冷装置后可形成较大的温度梯度(约300℃，当只放入一个水冷装置时)。
所述的梯度热处理炉由两个半圆的支承隔离墙18、耐火炉衬15和保温盖8合拢形成高温内室和低温外室，内室内置有电阻带19以产生高温辐射；外室无热源，上下可与大气相通，待处理盘芯部位的温度的上升主要依赖于盘件本身的热传导，并可根据温度梯度大小决定是封闭外室上下通口，还是打开通口，让炉内空气与外部大气连通，还可在外室内盘试样上方的热电偶固定块17上放置水冷装置5，以加大温度梯度。
图3所示为本发明梯度热处理装置中水冷装置5，由流水块d、过水槽块f、密封圈e及管接头a、管接头c、吊环b组成。流水块d内开有进水与出水通孔，流水块与过水槽块用耐温橡胶密封圈e密封，并靠螺纹连接成一体；过水槽块f内的过水槽采用漫流形式，以冷却整个底面；使用时紧贴在热电偶固定块17上，将试样上多余的部分热量带走，并依靠调节水冷装置内水流速度控制带走热量的多少，保证盘芯始终处于设定的温度，从而实现盘缘与盘芯所需求的大温差(300～400℃)。若温差≤300℃，可以只放一个水冷装置；若温差≤100℃，可以不放水冷装置，仅需向外室适当吹风；若温差≤50℃，热处理时间又较短(≤1h)，则可以将外室上下两个通口用硅酸铝纤维3封住。
为了解决连接部位具有不同直径的双合金盘类件的梯度热处理，所述的两个半圆的支承隔离墙18顶部和保温盖8底部的内外半径可根据构成双合金盘的双合金结合(焊合)处直径大小确定，在支承隔离墙18和保温盖8之间留有放热处理件的间隙空间，盘试样放在所留间隙处，环形焊缝放在支承隔离墙18顶部上，此间隙用硅酸铝纤维3密封。这样内室因置有发热体，为辐射高温区，外室无热源，外室温度的升高所需热量主要来自热处理件、隔墙材料的热传导。
所述的梯度热处理装置内室的温度由2支热电偶2连接到温控仪上对内室温度进行自动控制，外室温度由放在试样上方与热电偶固定块17槽内的热电偶7进行监控，热电偶固定块的作用主要是防止水冷装置直接压在热电偶上，使盘芯表面的温度失真，热电偶固定块17的厚度应根据传递热量的多少确定。
所述的梯度热处理炉中的支承隔离墙18和耐火炉衬15由低密度高温水泥浇注料制成，支承隔离墙除可承担盘试样16重量外，还与保温盖8、硅酸铝纤维3一起隔离辐射；保证处于外室中的盘芯部位只能依赖材料本身的热传导升温；保温盖8为硅酸铝纤维整体压缩而成，它具有重量轻，隔热、隔辐射性能好、又易于维修的优点，当更换内室中的电阻带时，只需移走炉盖1和保温盖8，就可方便地更换电阻带19。
所述的梯度热处理炉炉底板下安装有六个万向轮，两半圆炉体闭合后由闭合锁扣23锁住，无需特殊的固定装置，开启、闭合、移动十分方便，特别适合操作场地受限的研究单位。
根据本发明的梯度热处理装置制作的梯度热处理炉，按下述热处理制度进行梯度热处理Ti3Al/TC11双合金盘件时：
Ti3Al/TC11双合金盘热处理制度，1020℃(内室，Ti3Al合金侧)，1h/950℃(外室，TC11合金侧)，1h，空冷+815℃(内室，Ti3Al合金侧)，1h/小于500℃(外室，TC11合金侧)，1h，空冷+700℃(内室，Ti3Al合金侧)，7h/530(外室，TC11合金侧)，7h，空冷。
Ti3Al/TC11双合金盘1020℃(Ti3Al合金侧)，1h/950℃(TC11合金侧)，1h第一重固溶梯度处理时，内室温度：1020℃，外室实际温度及波动情况见图7；第二次梯度热处理时，内室温度：815℃，外室实际温度及波动情况见图8，温度波动在12℃以内；最后一次梯度热处理时，内室温度：700℃，外室实际温度及波动情况见图9，实际波动幅度小于±10℃。
按上述热处理制度进行梯度热处理Ti3Al/TC11双合金盘件时，测得的内外室实际温度曲线如图7、图8、图9所示。
Claims (4)
1.一种用于双合金盘类件的电阻加热梯度热处理装置，它由梯度热处理炉及水冷装置构成，梯度热处理炉由高温内室和低温外室构成，其特征在于：所述的水冷装置由流水块、密封圈、过水槽块、吊环及管接头组成，流水块(d)内开有进水与出水通孔，过水槽块(f)内的过水槽采用漫流形式冷却整个底面，流水块(d)与过水槽块(f)用耐温橡胶密封圈(e)密封，靠螺纹连接成一体，通过吊环(b)将水冷装置放进外室中以获得大的温度梯度；根据温度梯度大小分别在盘试样(16)中心位置上方与下方放置水冷装置(5)，水冷装置携带热量的多少靠调节水流流速实现，处于外室内的盘芯部位的温度依靠放置在水冷装置与盘试样之间的热电偶固定块(17)中心环槽里的第一热电偶(7)监测；高温内室由两个半圆的支承隔离墙(18)、耐火炉衬(15)和保温盖(8)合拢后围成，并在内室置有电阻带(19)以产生高温辐射；外室由支承隔离墙(18)和保温盖(8)合拢后围成，无热源，并与外界相通，内室与外室之间设有放置试样(16)的环孔，试样热处理时盘试样边缘处于高温辐射区，盘芯温度上升依赖金属自身的热传导获得。
2.根据权利要求1所述的双合金盘类件电阻加热梯度热处理装置，其特征在于：所述的梯度热处理炉的支承隔离墙(18)顶部和保温盖(8)底部的外径与内径根据构成双合金盘的两种材料焊接处的直径大小确定。
3.根据权利要求1所述的双合金盘类件电阻加热梯度热处理装置，其特征在于：所述的梯度热处理炉由连接轴套(21)将两个半圆炉体连接成一个可分、合的整体，工作期间，两半圆炉体由闭合锁扣(23)锁住，炉底板(13)下安装六个万向轮(20)，方便移动、开启与闭合。
4.根据权利要求1所述的双合金盘类件电阻加热梯度热处理装置，其特征在于：所述的梯度热处理炉的支承隔离墙(18)和耐火炉衬(15)均由低密度浇注料制成，保温盖(8)为硅酸铝纤维整体(3)压缩而成，耐火炉衬(15)墙上安挂电阻带(19)，内室温度由第二热电偶(2)自动控制。
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