CN102912086B - 棒状材料梯度热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种棒状材料梯度热处理装置及用该装置处理棒状材料的方法，用于解决现有盘类件梯度热处理装置无法获得轴向温度梯度、不能对棒状材料进行梯度热处理的技术问题。技术方案是上炉体底板（15）将装置分为上炉体和下炉体，上炉体是感应加热系统，下炉体是冷却系统。下炉体底板（9）上从外到内依次固连有支撑架（3）、热电偶挂架（2）和水冷箱（11）。上炉体顶板1与上炉体底板（15）之间固定感应加热圈（4）。由于上炉体对棒状材料上端进行感应加热，下炉体对棒状材料下端进行水冷导热，获得了棒状材料由上至下的轴向的温度梯度。通过调整上、下炉体高度、更换不同尺寸的密封盖，实现了对不同尺寸棒状材料进行梯度热处理的功能。

Description

棒状材料梯度热处理方法
技术领域
本发明涉及一种梯度热处理装置，特别是涉及一种棒状材料梯度热处理装置，还涉及采用这种梯度热处理装置处理棒状材料的方法。 
背景技术
先进航空发动机系统对双性能构件的需求日益增加，特别是压气机盘、涡轮盘以及连接销等承温、受力存在明显差异的部件。以涡轮盘为例，从盘心到盘缘所承受的工作环境截然不同：盘心与轴相连，承受着涡轮叶片旋转产生的非常大的离心拉应力，但是工作温度相对较低；而盘缘直接与叶片相连，受到的离心拉应力较小，但是与燃气直接接触、工作温度较高。因此，制造出具有梯度组织的双性能涡轮盘——盘心具有细晶组织、盘缘具有粗晶组织——充分发挥细晶组织、粗晶组织在低温高应力、高温低应力下的性能优势，满足涡轮盘各个部位实际工作需要，可大大提高发动机的推重比。 
文献“公开号CN101845541A的中国发明专利”公开了一种盘类件梯度热处理装置。该装置由两个半圆炉体构成，依靠电阻带对盘缘进行辐射加热；通过一个固定在炉体上端的冷却箱，依靠冷却水带走盘心部位的热量，进而获得盘类件径向温度梯度。受到炉体结构和水冷装置冷却效率低的限制，此装置不能再更高的温度上获得更大的温度梯度。同时，该装置无法获得轴向温度梯度、无法对棒状材料进行梯度热处理。 
发明内容
为了克服现有盘类件梯度热处理装置无法获得轴向温度梯度、不能对棒状材料进行梯度热处理的不足，本发明提供一种棒状材料梯度热处理装置。该装置上炉体是感应加热系统，下炉体是冷却系统，通过上炉体对棒状材料上端进行感应加热，通过下炉体对棒状材料下端进行水冷导热，可以获得由上至下的轴向的温度梯度，制备出具有梯度组织的棒状材料。通过调整上炉体高度、更换不同尺寸的密封盖，可以实现对不同尺寸棒状材料进行梯度热处理的功能。 
本发明还提供采用棒状材料梯度热处理装置处理棒状材料的方法。 
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种棒状材料梯度热处理装置，包括热电偶5、万向轮8、进水管10和水冷箱11，其特点是还包括热电偶挂架2、支 撑架3、感应加热圈4、支撑螺母6、循环泵7、紧固螺栓12、密封盖13和变压器14。上炉体底板15将装置分为上炉体和下炉体，上炉体和下炉体的高度可以调整。下炉体底板9上从外到内依次固连有支撑架3、热电偶挂架2和水冷箱11。所述支撑架3带有螺纹，支撑螺母6与支撑架3螺纹配合，用于支撑螺母6用于支撑上炉体顶板1和上炉体底板15，上炉体顶板1与上炉体底板15之间固定感应加热圈4，上炉体顶板1上固定有热电偶5，热电偶5位于感应加热圈4与棒状材料之间。上炉体顶板1和上炉体底板15上有供热电偶挂架2自由伸出的孔。上炉体底板15和水冷箱11顶部有孔，上炉体底板15的下面、水冷箱11的上面用紧固螺栓12紧固密封盖13，密封盖13有供棒状材料穿过的孔，密封盖13上的孔与上炉体底板15和水冷箱11顶部的孔同圆心。密封盖13可以更换。水冷箱11上连接有进水管10和循环泵7后。所述下炉体底板9装有万向轮8。所述热电偶挂架2带有高度刻度，每只挂架最多可挂八支热电偶5，变压器14给感应加热圈4提供电源。 
所述密封盖13上孔的直径是30～120mm。 
所述每只热电偶挂架2最多可挂八支热电偶5。 
一种采用上述棒状材料梯度热处理装置处理棒状材料的方法，其特点是包括以下步骤：首先调节上炉体顶板1和上炉体底板15的高度，紧固密封盖13，安装热电偶5，根据棒状材料的直径，选择合适的密封盖13；将棒状材料由密封盖13的孔中穿过，将热电偶挂架2由上炉体底板15的孔中穿过；旋动支撑螺母6，调低上炉体底板15，旋紧紧固螺栓12，完成棒状材料装炉。 
梯度热处理开始，通过感应加热圈4对棒状材料上端进行加热，并在下端采用水冷箱11进行导热。在打开加热开关以前，先调节循环泵7并控制冷却水流速度，以最小水流速度200L/H，通冷却水5～15min；打开加热开关，对棒状材料上端进行加热；温度升至500℃后，关闭加热开关，调节循环泵7、增大水流速度至500L/H；5～15min后，打开加热开关继续加热；至1000℃后，再次关闭加热开关、增大水流速度至800L/H；5～15min后，再次打开加热开关，升温至预设温度1100～1200℃。 
梯度热处理结束，关闭加热开关，调节循环泵7，以最大流速800L/H常开冷却箱11。40～80min后，与装炉相反的顺序、取出棒状材料。 
本发明的有益效果是：由于上炉体是感应加热系统，下炉体是冷却系统，通过上炉体对棒状材料上端进行感应加热，通过下炉体对棒状材料下端进行水冷导热，获得 了由上至下的轴向的温度梯度，制备出了具有梯度组织的棒状材料。通过调整上炉体高度、更换不同尺寸的密封盖，实现了对不同尺寸棒状材料进行梯度热处理的功能。 
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。 
附图说明
图1是本发明棒状材料梯度热处理装置的主视图。 
图2是本发明棒状材料梯度热处理装置的左视图。 
图3是本发明棒状材料梯度热处理装置的俯视图。 
图4是图1的A-A剖视图。 
图5是棒状GH4133B高温合金经过本发明装置梯度热处理后的组织照片。 
图6是图5中A段的放大照片，其微观组织是粗晶组织。 
图7是图5中B段的放大照片，其微观组织是混晶组织。 
图8是图5中C段的放大照片，其微观组织是项链组织。 
图9是图5中D段的放大照片，其微观组织是细晶组织。 
图中，1-上炉体顶板；2-热电偶挂架；3-支撑架；4-感应加热圈；5-热电偶；6-支撑螺母；7-循环泵；8-万向轮；9-下炉体底板；10-进水管；11-水冷箱；12-紧固螺栓；13-密封盖；14-变压器；15-上炉体底板。 
具体实施方式
以下实施例参照图1～9。 
本发明棒状材料梯度热处理装置，包括热电偶挂架2、支撑架3、感应加热圈4、热电偶5、支撑螺母6、循环泵7、万向轮8、进水管10、水冷箱11、紧固螺栓12、密封盖13和变压器14。其中，上炉体底板15将装置分为上炉体和下炉体。上炉体是加热系统，下炉体是冷却系统，热电偶挂架2是温度监测系统。上炉体顶板1和上炉体底板15依靠四根支撑架3安装于整个装置的最上端，所述支撑架3均匀焊接到下炉体底板9上，所述支撑架3带有螺纹，可通过旋动八个支撑螺母6调整上炉体顶板1和上炉体底板15的高度。支撑螺母6用于支撑上炉体顶板1和上炉体底板15，上炉体顶板1与上炉体底板15之间固定感应加热圈4，上炉体顶板1上固定有热电偶5，热电偶5位于感应加热圈4与棒状材料之间。上炉体顶板1和上炉体底板15上有供热电偶挂架2自由伸出的孔。上炉体底板15和水冷箱11顶部有孔，上炉体底板15的下面、水冷箱11的上面用紧固螺栓12紧固密封盖13，密封盖13有供棒状材料穿过的 孔，密封盖13上的孔与上炉体底板15和水冷箱11顶部的孔同圆心。密封盖13可以更换。通过感应加热圈4对棒状材料的上端进行加热，两根热电偶5对炉内温度进行监测。下炉体底板9焊有水冷箱11，冷却水由进水管10流入冷却箱11，经过循环泵7后排出。所述下炉体底板9装有三个万向轮8，便于整个装置的移动和运输。两支热电偶挂架2放于下炉体底板9上，所述热电偶挂架2穿过上炉体底板15的孔中；所述热电偶挂架2依靠根部配重和上部入孔，保持垂直；所述热电偶挂架2带有高度刻度；每只挂架最多可带八支热电偶5，热电偶5可自由从挂架上取出。变压器14给感应加热圈4提供电源。 
梯度热处理以前，调节上炉体顶板1和上炉体底板15的高度，紧固密封盖13，安装热电偶5，完成棒状材料的装炉。首先旋动支撑螺母6，调高上炉体顶板1和上炉体底板15；根据棒状材料的直径，选择合适的密封盖13；将棒状材料由密封盖13的孔中穿过，将热电偶挂架2由上炉体底板15的孔中穿过；旋动支撑螺母6，调低上炉体底板15，旋紧紧固螺栓12，完成棒状材料装炉。本发明设计了不同内径的密封盖13，能够对30～120mm的棒状材料进行梯度热处理，因此，大大提高了本装置的适应性。待完成材料装炉以后，分别在上炉体顶板1和热电偶挂架2上安装热电偶5：其中上炉体顶板1安装上两支热电偶5并与控温装置相连；热电偶挂架2安装数量则由上炉体高度决定（确保外露的孔插满热电偶5，最多2×8支）并与测温装置相连。 
梯度热处理开始，通过感应加热圈4对棒状材料上端进行加热，并在下端采用水冷箱11进行导热。在打开加热开关以前，先调节循环泵7并控制冷却水流速度，以最小水流速度200L/H，通冷却水5～15min；打开加热开关，对棒状材料上端进行加热；温度升至500℃后，关闭加热开关，调节循环泵7、增大水流速度至500L/H；5～15min后，打开加热开关继续加热；至1000℃后，再次关闭加热开关、增大水流速度至800L/H；5～15min后，再次打开加热开关，升温至预设温度1100～1200℃。 
梯度热处理结束，关闭加热开关，调节循环泵7，以最大流速800L/H常开冷却箱11。40～80min后，与装炉相反的顺序、取出棒状材料。此时，棒状材料的上端和下端将形成一定的组织梯度。 
从图5～9可以看出，经本实施例梯度热处理后GH4133B合金上端与下端获得了明显的组织梯度。GH4133B合金的上端为粗晶组织、下端为细晶组织；粗晶组织的平均晶粒尺寸为210μm，细晶组织的平均晶粒尺寸为10μm；粗晶组织和细晶组织之间 存在明显的混晶组织和项链组织。 
此装置可处理的棒状材料的尺寸范围为 当棒状材料直径为120mm时，选择R1型密封盖13；当直径为30mm时，选择R4型密封盖13。当棒状材料长度为100mm时，热电偶挂架2可挂八支热电偶5；当长度为300mm时，热电偶挂架2可挂十六支热电偶5。通过调节上炉体的高度、选配不同密封盖13，最终实现对不同尺寸棒状材料进行梯度热处理的功能。

Claims (1)

1.一种棒状材料梯度热处理方法，所采用的棒状材料梯度热处理装置包括热电偶(5)、万向轮(8)、进水管(10)、水冷箱(11)、热电偶挂架(2)、支撑架(3)、感应加热圈(4)、支撑螺母(6)、循环泵(7)、紧固螺栓(12)、密封盖(13)和变压器(14)；上炉体底板(15)将装置分为上炉体和下炉体，上炉体和下炉体的高度可以调整；下炉体底板(9)上从外到内依次固连有支撑架(3)、热电偶挂架(2)和水冷箱(11)；所述支撑架(3)带有螺纹，支撑螺母(6)与支撑架(3)螺纹配合，支撑螺母(6)用于支撑上炉体顶板(1)和上炉体底板(15)，上炉体顶板(1)与上炉体底板(15)之间固定感应加热圈(4)，上炉体顶板(1)上固定有热电偶(5)，热电偶(5)位于感应加热圈(4)与棒状材料之间；上炉体顶板(1)和上炉体底板(15)上有供热电偶挂架(2)自由伸出的孔；上炉体底板(15)和水冷箱(11)顶部有孔，上炉体底板(15)的下面、水冷箱(11)的上面用紧固螺栓(12)紧固密封盖(13)，密封盖(13)有供棒状材料穿过的孔，密封盖(13)上的孔与上炉体底板(15)和水冷箱(11)顶部的孔同圆心；密封盖(13)可以更换；水冷箱(11)上连接有进水管(10)和循环泵(7)；所述下炉体底板(9)装有万向轮(8)；所述热电偶挂架(2)带有高度刻度，用于挂置热电偶(5)，变压器(14)给感应加热圈(4)提供电源，其特征在于包括以下步骤：首先调节上炉体顶板(1)和上炉体底板(15)的高度，紧固密封盖(13)，安装热电偶(5)，根据棒状材料的直径，选择合适的密封盖(13)；将棒状材料由密封盖(13)的孔中穿过，将热电偶挂架(2)由上炉体底板(15)的孔中穿过；旋动支撑螺母(6)，调低上炉体底板(15)，旋紧紧固螺栓(12)，完成棒状材料装炉；
梯度热处理开始，通过感应加热圈(4)对棒状材料上端进行加热，并在下端采用水冷箱(11)进行导热；在打开加热开关以前，先调节循环泵(7)并控制冷却水流速度，以最小水流速度200L/H，通冷却水5～15min；打开加热开关，对棒状材料上端进行加热；温度升至500℃后，关闭加热开关，调节循环泵(7)、增大水流速度至500L/H；5～15min后，打开加热开关继续加热；至1000℃后，再次关闭加热开关、增大水流速度至800L/H；5～15min后，再次打开加热开关，升温至预设温度1100～1200℃；
梯度热处理结束，关闭加热开关，调节循环泵(7)，以最大流速800L/H常开冷却箱(11)；40～80min后，与装炉相反的顺序、取出棒状材料。
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