CN111575470B - 一种棒状材料连续温度梯度热处理装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热处理技术领域，尤其涉及一种棒状材料连续温度梯度热处理装置和方法。本发明的装置炉体内包括上加热区和下加热区，分别利用上加热电源和下加热电源进行独立控温，且上加热区和下加热区均为封闭加热区，封闭隔热板可防止热量散失，确保上加热区和下加热区温度的精确控制，从而实现棒状材料标样段温度梯度的精确控制。本发明的装置包括抽真空设备，使棒状材料在真空下进行传热，避免热对流；在上加热区和下加热区之间设置环状辐射屏，能抑制标样段侧向散热，使传热沿纵向传递；且棒状材料与环状辐射屏不接触，避免了热传导；三方面共同作用使棒状材料沿轴向一维传热，确保了棒状材料表面和中心温度一致。

Description

一种棒状材料连续温度梯度热处理装置和方法
技术领域
本发明涉及热处理技术领域，尤其涉及一种棒状材料连续温度梯度热处理装置和方法。
背景技术
热处理是将材料放在一定的介质内加热、保温和冷却的过程，通过改变材料表面或内部的组织结构来控制其性能，在材料研究与应用中是极为重要的一个环节。目前，常规的热处理温度与材料组织性能相关性的研究方法是制备大批成分相同的合金试样，在保证其余热处理条件相同的情况下通过改变热处理的温度来实现，此方法虽然简单易操作，但存在以下缺点：1、样品制备数量大，实验周期长。一般热处理实验需要得到多个温度点数据，因此需要制备一定数量的试样才能达到要求；并且每个试样必须经过完整的热处理过程，因此工作量大，实验周期长。2、离散地设置温度可能观察不到实验过程中的异常行为，如很多金属材料对温度极为敏感，细微的温度变化都可能引起相或组织的巨大变化。
梯度热处理可在同一样品中实现连续的温度梯度，通过温度梯度一次完成以往需要若干次热处理实验才能完成的工作，不但可以提高实验效率，降低实验的人力、物力消耗，而且对于提高新材料、新产品、新工艺的研发速度也有重要的意义。西北工业大学宁永权等提出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(授权公告号CN102912086B)。该方法中，通过装置的上炉体对棒状材料上端进行感应加热，下炉体对其下端进行水冷导热，从而获得材料由上至下的轴向的温度梯度。在该发明中，试样各区域温度不能进行精确控制，从而导致温度梯度不可控。邹云峰等人提出一种模具温度梯度控制装置(授权公告号CN203356572U)，通过热电偶与温度传感器的配合控制冷却风管的开闭来保证所设计的温度梯度。但该专利限于铸造过程的模具温度控制，在材料热处理领域应用具有一定的局限性。且该技术虽然产生了连续温度梯度，但由于侧向散热等因素，可能导致材料表面与内部的温度并不一样，影响实验数据的准确性。中南大学提出一种材料连续温度梯度热处理方法(授权专利号ZL104451090)，采用梯形石墨筒加热体实现电阻的梯度变化，在热模拟机上两端加直流电，获得筒内样品的梯度加热和控温。但由于只能单点控温，偏离控温点的样品温度会一直波动，影响实验结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种棒状材料连续温度梯度热处理装置和方法，采用本发明的装置不但可提高实验效率，而且棒状材料的温度梯度精确可控、样品表面和内部温度一致。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种棒状材料连续温度梯度热处理装置，包括炉体、抽真空设备、上加热电源和下加热电源；所述抽真空设备、上加热电源和下加热电源位于炉体外；所述炉体的侧壁上设置有红外热成像测温窗口5和空气出口6；所述抽真空设备与空气出口6相通；
所述炉体内设置有水冷接头1、上加热区2、下加热区3和环状辐射屏4；所述水冷接头1固定于炉体的顶部；
所述环状辐射屏4位于上加热区2和下加热区3之间，所述环状辐射屏的上端距离上加热区底端的距离为0～2mm，所述环状辐射屏的下端距离下加热区顶端的距离为0～2mm；所述环状辐射屏4沿轴向开设有宽1～2mm的细缝；所述细缝的长度与环状辐射屏4的高度相同；所述红外热成像测温窗口5与细缝的位置相匹配；
所述上加热区2设置有上加热棒71和上封闭隔热板81，所述下加热区3设置有下加热棒72和下封闭隔热板82；所述上加热电源与上加热区2的上加热棒71相连，所述下加热电源与下加热区3的下加热棒72相连；所述上封闭隔热板81和下封闭隔热板82分别将上加热棒71和下加热棒72包围形成封闭加热区；在所述上封闭隔热板81的上壁和下壁以及下封闭隔热板82的上壁分别设有棒状材料穿过的通道；
所述环状辐射屏4的轴线与棒状材料的轴线以及上加热区2和下加热区3的垂直中心线重合；所述环状辐射屏4与棒状材料不接触。
优选的，所述环状辐射屏4的材质为钽或钼，所述环状辐射屏4的厚度为0.3～0.6mm，所述环状辐射屏4与棒状材料表面的距离为10～20mm。
优选的，所述上封闭隔热板81和下封闭隔热板82的材质为石墨毡，所述上封闭隔热板81和下封闭隔热板82板材的厚度独立为5～10mm。
优选的，所述上封闭隔热板81和下封闭隔热板82上用于棒状材料穿过的通道与棒状材料的间隙独立在3mm以下。
优选的，在所述炉体的内壁上还设置有移动导轨9；所述上加热区2和下加热区3至少有一个可沿所述移动导轨9上下移动。
优选的，还包括循环水装置，所述循环水装置与水冷接头相通。
本发明提供了一种棒状材料连续温度梯度热处理方法，利用上述方案所述棒状材料连续温度梯度热处理装置进行热处理，包括以下步骤：
将棒状材料从下到上依次穿过下加热区3的上壁、环状辐射屏4和上加热区2的下壁和上壁，上端固定于水冷接头1上；以所述棒状材料位于上加热区2和下加热区3之间对应的部分作为标样段；
利用抽真空设备将炉体抽真空，然后开启上加热电源和下加热电源，通过上加热棒71将所述棒状材料位于上加热区2的部分加热，下加热棒72将所述棒状材料位于下加热区3的部分加热，并沿着棒状材料的轴向进行传热，在所述棒状材料的标样段形成连续温度梯度；所述上加热区2和下加热区3设定的加热温度对应棒状材料标样段温度梯度的端点温度；
通过红外热成像测温窗口5测定所述标样段的连续温度梯度分布情况，待连续温度梯度分布稳定后，进行保温。
优选的，当所述棒状材料连续温度梯度热处理装置还包括循环水装置时，还包括在加热前开启循环水。
优选的，所述抽真空至3.3×10-2Pa以下。
优选的，所述棒状材料被加热前，还包括在所述棒状材料的标样段的外壁设置热电偶，待获得稳定的连续温度梯度后，通过热电偶对红外热成像测定的连续温度梯度进行修正。
本发明提供了一种棒状材料连续温度梯度热处理装置，包括炉体、抽真空设备、上加热电源和下加热电源；所述抽真空设备、上加热电源和下加热电源位于炉体外；所述炉体的侧壁上设置有红外热成像测温窗口5和空气出口6；所述抽真空设备与空气出口6相通；所述炉体内设置有水冷接头1、上加热区2、下加热区3和环状辐射屏4；所述水冷接头1固定于炉体的顶部；所述环状辐射屏4位于上加热区2和下加热区3之间，所述环状辐射屏的上端距离上加热区底端的距离为0～2mm，所述环状辐射屏的下端距离下加热区顶端的距离为0～2mm；所述环状辐射屏4沿轴向开设有宽1～2mm的细缝；所述细缝的长度与环状辐射屏4的高度相同；所述红外热成像测温窗口5与细缝的位置相匹配；所述上加热区2设置有上加热棒71和上封闭隔热板81，所述下加热区3设置有下加热棒72和下封闭隔热板82；所述上加热电源与上加热区2的上加热棒71相连，所述下加热电源与下加热区3的下加热棒72相连；所述上封闭隔热板81和下封闭隔热板82分别将上加热棒71和下加热棒72包围形成封闭加热区；在所述上封闭隔热板81的上壁和下壁以及下封闭隔热板82的上壁分别设有棒状材料穿过的通道；所述环状辐射屏4的轴线与棒状材料的轴线以及上加热区2和下加热区3的垂直中心线重合；所述环状辐射屏4与棒状材料不接触。
本发明的装置炉体内部包括上加热区2和下加热区3，分别利用上加热电源和下加热电源进行独立控温，且上加热区2和下加热区3均为封闭加热区，封闭隔热板可防止热量散失，确保上加热区和下加热区温度的精确控制，而上加热区的温度和下加热区的温度差即为棒状材料中间标样段的温度梯度，本发明通过精确控制上加热区和下加热区的温度而精确控制温度梯度。
本发明的装置包括抽真空设备，可使棒状材料在真空下进行传热，避免热对流；在上加热区和下加热区之间设置环状辐射屏4，能抑制棒状材料位于上加热区2和下加热区3之间的标样段侧向散热，使传热沿纵向(棒状材料的轴向)传递；且棒状材料与环状辐射屏4不接触，避免了热传导；三个方面共同作用使棒状材料位于上加热区和下加热区之间的标样段沿轴向一维传热，从而确保棒状材料标样段表面和中心温度一致。
进一步的，本发明的装置还包括移动导轨9；所述上加热区2和下加热区3至少有一个可沿所述移动导轨9上下移动，从而可以适应不同规格的样品。
进一步的，本发明的装置还包括循环水装置，本发明利用循环水装置一方面可降低水冷接头1的温度，起到保护水冷接头1的作用，另一方面可以调节温度梯度范围，调控热平衡。
本发明提供了一种棒状材料连续温度梯度热处理方法，可在一个样品中得到传统方法中多个样品才能得到的数据，实验效率大幅提高，减小了人力、物力投入及能源消耗。
进一步的，本发明的棒状材料被加热前，还包括在所述棒状材料的标样段的外壁设置热电偶，待获得稳定的连续温度梯度后，通过热电偶对红外热成像测定的连续温度梯度进行修正，能够进一步提高温度控制的精度。
附图说明
图1为本发明棒状材料连续温度梯度热处理装置的结构示意图；
其中，1-水冷接头，2-上加热区，3-下加热区，4-环状辐射屏，5-红外热成像测温窗口，6-空气出口，71-上加热棒，72-下加热棒，81-上封闭隔热板，82-下封闭隔热板，9-移动导轨，10-热电偶，11-电极，12-水冷杆；
图2为热电偶结合红外热成像获得的标样段的连续温度梯度分布图；
图3为上加热区、下加热区和标样段不同点在加热过程中温度随时间的变化曲线；
图4为采用ProCast软件对标样段的传热进行数值模拟计算得到的温度分布图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种棒状材料连续温度梯度热处理装置，包括炉体、抽真空设备、上加热电源和下加热电源；所述抽真空设备、上加热电源和下加热电源位于炉体外；所述炉体的侧壁上设置有红外热成像测温窗口5和空气出口6；所述抽真空设备与空气出口6相通；
所述炉体内设置有水冷接头1、上加热区2、下加热区3和环状辐射屏4；所述水冷接头1固定于炉体的顶部；
所述环状辐射屏4位于上加热区2和下加热区3之间，所述环状辐射屏的上端距离上加热区底端的距离为0～2mm，所述环状辐射屏的下端距离下加热区顶端的距离为0～2mm；所述环状辐射屏4沿轴向开设有宽1～2mm的细缝；所述细缝的长度与环状辐射屏4的高度相同；所述红外热成像测温窗口5与细缝的位置相匹配；
所述上加热区2设置有上加热棒71和上封闭隔热板81，所述下加热区3设置有下加热棒72和下封闭隔热板82；所述上加热电源与上加热区2的上加热棒71相连，所述下加热电源与下加热区3的下加热棒72相连；所述上封闭隔热板81和下封闭隔热板82分别将上加热棒71和下加热棒72包围形成封闭加热区；在所述上封闭隔热板81的上壁和下壁以及下封闭隔热板82的上壁分别设有棒状材料穿过的通道；
所述环状辐射屏4的轴线与棒状材料的轴线以及上加热区2和下加热区3的垂直中心线重合；所述环状辐射屏4与棒状材料不接触。
本发明提供的棒状材料连续温度梯度热处理装置包括抽真空设备，所述抽真空设备用于将炉体抽至真空状态。本发明对所述抽真空设备没有特殊的要求，本领域熟知的抽真空设备均可。
本发明提供的棒状材料连续温度梯度热处理装置包括上加热电源和下加热电源。本发明的上加热电源和下加热电源分别为上加热区2中的上加热棒71和下加热区3中的下加热棒72提供热源，然后利用加热棒辐射的热量实现棒状材料的加热，进而实现上加热区2和下加热区3的独立控温。本发明对所述上加热电源和下加热电源的结构没有特殊要求，采用本领域熟知的加热电源即可。在本发明的实施例中，所述上加热电源和下加热电源分别包括热电偶10、电极11和控制单元；通过热电偶测温，并反馈到电源的控制单元，实现温度的控制。
本发明提供的棒状材料连续温度梯度热处理装置包括炉体，在所述炉体的侧壁上设置有红外热成像测温窗口5和空气出口6；所述抽真空设备与空气出口6相通；所述红外热成像测温窗口5与环状辐射屏4上细缝的位置相匹配。在本发明中，所述红外热成像测温窗口5与环状辐射屏4上的细缝相配合，从而实现上加热区和下加热区之间标样段的连续温度梯度的测定。
本发明提供的棒状材料连续温度梯度热处理装置，在所述炉体内设置有水冷接头1、上加热区2、下加热区3和环状辐射屏4。
在本发明中，所述水冷接头1固定于炉体的顶部。本发明对所述水冷接头1的固定方式没有特殊要求，能够将水冷接头1固定于炉体顶部即可。本发明所述水冷接头1用于固定棒状材料。在本发明的实施例中，所述水冷接头1的形状为螺母状，所述棒状材料与水冷接头1通过螺纹连接。在本发明中，所述水冷接头1可固定直径7～16mm的棒状材料。
作为本发明的一个实施例，本发明提供的棒状材料连续温度梯度热处理装置还包括循环水装置；所述循环水装置与水冷接头1相通。在本发明的实施例中，所述循环水装置通过穿过炉体顶部的水冷杆12与水冷接头相连通。所述水冷杆12优选与水冷接头1通过螺纹固定连通。在本发明中，所述水冷杆12为中空结构，本发明对所述水冷杆12的材质和尺寸没有特殊要求，能够与水冷接头1和循环水装置匹配即可。本发明对所述循环水装置没有特殊的限定，本领域熟知的能够提供循环水的装置均可。本发明利用循环水装置一方面可降低水冷接头的温度，起到保护水冷接头的作用，另一方面有利于调节温度梯度范围，调控热平衡。
本发明的炉体内包括上加热区2和下加热区3。在本发明中，所述上加热区2设置有上加热棒71和上封闭隔热板81；所述下加热区3设置有下加热棒72和下封闭隔热板82。在本发明中，加热棒的材质优选为硅碳棒。采用硅碳棒作为加热棒最高加热温度可达1450℃，且累积工作时长可达1000小时以上。本发明对加热区内所述加热棒的数量没有特殊要求，能够实现均匀加热即可。在本发明的实施例中，所述加热棒在加热区内呈对称分布，且加热时所述加热棒不与棒状材料接触，通过辐射加热。在本发明中，所述上加热电源与所述上加热区的加热棒相连；所述下加热电源与所述下加热区的加热棒相连。
在本发明中，所述上封闭隔热板81和下封闭隔热板82分别将上加热棒71和下加热棒72包围形成封闭加热区(即上加热区和下加热区均为封闭加热区)；在所述上封闭隔热板81的上壁和下壁以及下封闭隔热板82的上壁分别设有棒状材料穿过的通道。作为本发明的一个实施例，所述下封闭隔热板82的下壁可设置棒状材料穿过的通道，也可以不设置棒状材料穿过的通道。在本发明中，所述通道与棒状材料的间隙独立优选在3mm以下，更优选无间隙匹配接触，以防止热量的散失，影响温度精度。在本发明中，所述上封闭隔热板81和下封闭隔热板82为圆筒结构，形成的封闭加热区为圆筒形加热区，有利于实现样品的对称加热。在本发明中，所述上封闭隔热板81和下封闭隔热板82的材质优选为石墨毡，所述上封闭隔热板81和下封闭隔热板82板材的厚度独立优选为5～10mm。本发明对所述上封闭隔热板81和下封闭隔热板82的尺寸没有特殊要求，能够起到防止热量散失的作用即可。在本发明中，所述上封闭隔热板的尺寸具体为
Figure BDA0002557365770000081
下封闭隔热板的尺寸具体为
Figure BDA0002557365770000082
(也即加热区尺寸)。本发明采用封闭隔热板可防止热量散失，确保上加热区和下加热区温度的精确控制，配合上加热电源和下加热电源的独立控温，使得棒状材料中间标样段的温度梯度可根据上加热区和下加热区的温度设定而精确控制。
本发明的装置包括环状辐射屏4。在本发明中，所述环状辐射屏为中空的管状结构。在本发明中，所述环状辐射屏4位于上加热区2和下加热区3之间，所述环状辐射屏4的上端距离上加热区2底端的距离为0～2mm，优选为0mm；所述环状辐射屏4的下端距离下加热区3顶端的距离为0～2mm，优选为0mm；所述环状辐射屏4沿轴向开设有宽1～2mm的细缝，所述细缝的长度与环状辐射屏4的高度相同，用于红外热成像测温。
在本发明中，所述环状辐射屏4的材质优选为钽或钼，所述环状辐射屏4的厚度优选为0.3～0.6mm。本发明采用上述材质和厚度的环状辐射屏，有利于减少热辐射，从而促进标样段的一维传热，进而确保标样段表面和中心温度一致。
在本发明中，所述棒状材料从下到上依次穿过下加热区3的上壁、环状辐射屏4和上加热区2的上壁和下壁，上端被固定于水冷接头1上；所述环状辐射屏4的轴线与棒状材料的轴线以及上加热区2和下加热区3的垂直中心线重合。在本发明中，所述环状辐射屏4与棒状材料不接触；所述环状辐射屏与棒状材料表面的距离优选为10～20mm。棒状材料与环状辐射屏4不接触，避免了热传导，从而有利于使棒状材料位于上加热区和下加热区的标样段沿轴向一维传热，进而确保标样段表面和中心温度一致。
作为本发明的一个实施例，所述炉体的内壁上还设置有移动导轨9；所述上加热区2和下加热区3至少有一个可沿所述移动导轨9上下移动；优选上加热区2固定，下加热区3可沿所述移动导轨9上下移动，从而适应不同规格样品的加热。本发明对所述移动导轨以及移动导轨与加热区之间的连接关系没有特殊的限定，能够实现上加热区和/或下加热区的上下移动即可。具体的，移动导轨上设置有可轴向移动的滑块，滑块与下加热区连接。
本发明提供了一种棒状材料连续温度梯度热处理方法，利用上述方案所述棒状材料连续温度梯度热处理装置进行热处理，包括以下步骤：
将棒状材料从下到上依次穿过下加热区3的上壁、环状辐射屏4和上加热区2的下壁和上壁，上端固定于水冷接头1上；以所述棒状材料位于上加热区2和下加热区3之间对应的部分作为标样段；
利用抽真空设备将炉体抽真空，然后开启上加热电源和下加热电源，通过上加热棒71将所述棒状材料位于上加热区2的部分加热，下加热棒72将所述棒状材料位于下加热区3的部分加热，并沿着棒状材料的轴向进行传热，在所述棒状材料的标样段形成连续温度梯度；所述上加热区2和下加热区3设定的加热温度对应棒状材料标样段温度梯度的端点温度；
通过红外热成像测温窗口5测定所述标样段的连续温度梯度分布情况，待连续温度梯度分布稳定后，进行保温。
本发明将棒状材料从下到上依次穿过下加热区3的上壁、环状辐射屏4和上加热区2的下壁和上壁，上端固定于水冷接头1上。
本发明对所述棒状材料没有特殊的要求，可根据实际需求进行选择。在本发明中，所述棒状材料优选为直径均一的圆柱体；所述棒状材料的直径优选为7～18mm。
在本发明中，当所述下加热区3的下壁设置有棒状材料穿过的通道时，本发明优选还包括将所述棒状材料穿过下加热区3的下壁，以保证下加热区3为封闭加热区，进而有利于控制下加热区的温度精度。
在本发明中，以所述棒状材料位于上加热区2和下加热区3之间对应的部分作为标样段；所述标样段的长度即为上加热区距离下加热区的距离。当所述棒状材料连续温度梯度热处理装置的炉体内壁还设置有移动导轨9时，所述上加热区2和下加热区3至少有一个可沿所述移动导轨9上下移动。本发明优选通过调整上加热区和/或下加热区的上下位置来调整标样段的长度。本发明对所述标样段的长度没有特殊要求，根据实际需求进行选择即可。在本发明的实施例中，所述标样段的长度为80mm。
完成所述棒状材料的固定后，本发明利用抽真空设备将炉体抽真空，然后开启上加热电源和下加热电源，通过上加热棒71将所述棒状材料位于上加热区2的部分加热，下加热棒72将所述棒状材料位于下加热区3的部分加热，并沿着棒状材料的轴向进行传热，在所述棒状材料的标样段形成连续温度梯度。
在本发明中，所述抽真空优选至3.3×10-2Pa以下。本发明利用真空减少热对流。
在本发明中，棒状材料被加热前，本发明优选还包括在所述棒状材料标样段的外壁设置热电偶，待形成稳定的连续温度梯度后，通过热电偶对红外热成像测定的连续温度梯度进行修正。在本发明中，所述热电偶设置的位置优选为棒状材料标样段的两端。
在本发明中，所述上加热区2和下加热区3设定的加热温度对应棒状材料标样段温度梯度的端点温度。如要求获得1000～1300℃之间的连续温度梯度，则上加热区和下加热区的温度其中一个设定为1000℃，另外一个设定为1300℃即可。在本发明中，上加热区和下加热区设定的加热温度也即后续保温过程中上加热区和下加热区对应的保温温度。
在本发明中，由于上加热区和下加热区之间存在温差，导致棒状材料在上加热区和下加热区之间形成连续温度梯度。由于标样段在真空下进行传热，避免了热对流；在上加热区和下加热区之间设置环状辐射屏，能抑制标样段侧向散热，使传热沿纵向(棒状材料的轴向)传递；且棒状材料与环状辐射屏不接触，避免了热传导；三个方面共同作用使棒状材料位于上加热区和下加热区之间的标样段沿轴向一维传热，从而确保棒状材料标样段表面和中心温度一致。
在所述棒状材料的标样段形成连续温度梯度后，本发明通过红外热成像测温窗口5测定所述标样段的连续温度梯度分布情况，待连续温度梯度分布稳定后，进行保温。在本发明中，当上加热区和下加热区达到设定温度后，标样段很快(10min以内)便能形成稳定的连续温度梯度。本发明优选通过红外热成像判断标样段固定测温点的温度不再发生变化后，即形成稳定的连续温度梯度分布。
形成稳定的连续温度梯度后，本发明对棒状材料进行保温。本发明对所述保温的时间没有特殊要求，根据实际需求进行选择即可。完成保温后，本发明优选还包括对热处理后的棒状材料进行冷却。本发明对所述冷却的方式没有特殊要求，根据实际需求进行选择即可。
形成稳定的连续温度梯度后，本发明优选还包括对获得的稳定的连续温度梯度进行修正。在本发明中，所述修正的过程优选包括：以标样段外壁上的热电偶测温为标准，用测温点的检测差值修正所有红外热成像测温值结果。由于热电偶为直接接触测温，准确度更高，本发明利用热电偶对红外热成像测定的连续温度梯度进行修正，保证了温度的精确性。在本发明中，进行修正的过程可在保温过程中进行，也可在保温结束后进行，目的仅是为了对稳定的连续温度梯度进行修正(但需要在获得稳定的连续温度梯度后保温结束前读取热电偶的测温结果)。
在本发明中，当所述棒状材料连续温度梯度热处理装置还包括循环水装置时，本发明优选还包括在加热前开启循环水，直至热处理完成，其他步骤同上述方案，这里不再赘述。本发明对所述循环水的流量没有特殊要求，本领域技术人员可根据实际情况进行调整。本发明利用循环水一方面可以降低水冷接头的温度，防止水冷接头因高温过早报废，另一方面可以调节温度梯度范围，调控热平衡。
为了便于本领域技术人员更好的理解本申请的技术方案，现结合图1对本发明的棒状材料连续温度梯度热处理装置和方法进行说明。如图1所示，所述炉体内设置有水冷接头1、上加热区2、下加热区3和环状辐射屏4；所述炉体的侧壁上设置有红外热成像测温窗口5和空气出口6；所述上加热区2设置有上加热棒71和上封闭隔热板81，所述下加热区3设置有下加热棒72和下封闭隔热板82；所述上加热电源(图中未画出)与上加热区2的上加热棒71相连，所述下加热电源(图中未画出)与下加热区3的下加热棒72相连；所述上封闭隔热板81和下封闭隔热板82分别将上加热棒71和下加热棒72包围形成封闭加热区；在所述上封闭隔热板81的上壁和下壁以及下封闭隔热板82的上壁分别设有棒状材料穿过的通道；所述环状辐射屏4沿轴向开设有宽1～2mm的细缝(图中未画出)；图1中所述下加热区可沿移动导轨9上下移动；所述循环水装置(图中未画出)通过水冷杆12与水冷接头1相连通；所述抽真空设备(图中未画出)与空气出口6相通。
本发明将棒状材料从下到上依次穿过下加热区3的上壁、环状辐射屏4和上加热区2的下壁和上壁，固定于水冷接头1上；本发明利用抽真空设备将炉体抽真空，然后开启上加热电源(图中仅画出了加热电源的部分热电偶10和电极11)和下加热电源(图中仅画出了加热电源的部分热电偶10和电极11)，通过上加热棒71将所述棒状材料位于上加热区2的部分加热，下加热棒72将所述棒状材料位于下加热区3的部分加热，并沿着棒状材料的轴向进行传热；所述上加热区2和下加热区3设定的加热温度对应棒状材料标样段温度梯度的端点温度，在所述棒状材料的标样段形成连续温度梯度；通过红外热成像测温窗口5测定所述标样段的连续温度梯度分布情况，待连续温度梯度分布稳定后，进行保温。
下面结合实施例对本发明提供的棒状材料连续温度梯度热处理装置和方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
采用图1所示装置，所述炉体内设置有水冷接头1、上加热区2(尺寸为
Figure BDA0002557365770000121
)、下加热区3(尺寸为
Figure BDA0002557365770000122
)和环状辐射屏4(材质为Ta、厚度为0.3mm，沿轴向开设有宽1mm的细缝)；所述环状辐射屏位于上加热区和下加热区之间，所述环状辐射屏的上端距离上加热区底端的距离为0mm(即紧密接触)，所述环状辐射屏的下端距离下加热区上端的距离为0mm(即紧密接触)；所述炉体的侧壁上设置有红外热成像测温窗口5和空气出口6；所述上加热区2设置有上加热棒71(具体为硅碳棒)和上封闭隔热板81(材质为石墨毡，板材厚度为5mm)，所述下加热区3设置有下加热棒72(具体为硅碳棒)和下封闭隔热板82(材质为石墨毡，板材厚度为5mm)；所述上封闭隔热板81和下封闭隔热板82分别将上加热棒71和下加热棒72包围形成封闭加热区；下加热区3可沿移动导轨9上下移动；所述循环水装置(图中未画出)通过水冷杆12与水冷接头1相连通；所述抽真空设备(图中未画出)与空气出口6相通。
梯度热处理以前：将棒状材料(直径
Figure BDA0002557365770000131
)垂直穿过下加热区3的上壁、环状辐射屏4和上加热区2的下壁和上壁(棒状材料与上加热区的间隙为3mm，与下加热区3的间隙为3mm)，固定于水冷接头1上；以所述棒状材料位于上加热区和下加热区之间对应的部分作为标样段，通过移动导轨9向上下调整下加热区3的位置，使标样段长度为80mm，并在棒状材料标样段的两端各设置一个热电偶(图中未画出)用于后续修正红外热成像测温，接通循环水，关闭炉门，打开抽真空设备，将炉内真空度降至3.3×10-2Pa；
梯度热处理开始：通过上加热棒71和下加热棒72对棒状材料两端进行加热，上加热区2设定的加热温度为800℃，下加热区3设定的加热温度为1300℃，待下加热区3加热到1300℃并通过红外热成像(通过炉体侧壁的红外热成像测温窗口)监测标样段获得稳定的连续温度梯度后开始保温，保温过程中采用红外热成像和热电偶测温相结合的方法对标样段进行测温，其中整个标样段采用红外热成像测温，两端采用热电偶测温，保温时间为30分钟。保温结束后，通过热电偶测温结果对红外热成像测温进行标对。
梯度热处理结束：关闭加热开关，调节循环水，与装炉相反的顺序、取出棒状材料。
图2为热电偶结合红外热成像获得的标样段的连续温度梯度分布图，图2显示采用本发明的方法在棒材的标样段形成了连续温度梯度。
图3为上加热区、下加热区和标样段不同点在加热过程中温度随时间的变化曲线，由图3可知，当上加热区和下加热区达到设定的温度后，标样段在很短的时间内(400s)便形成了稳定的连续温度梯度。
图4为采用ProCast软件对标样段的传热进行数值模拟计算得到的温度分布图，由图4可知，由于限制了侧向传热，样品温度场表现为轴向一维梯度分布，径向等温线平直分布的特征，说明样品表面和中心温度一致。
由以上实施例可知，本发明提供了一种棒状材料连续温度梯度热处理装置和方法，采用本发明的装置不但可提高实验效率，而且棒状材料的温度梯度可控、样品表面和内部温度一致。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种棒状材料连续温度梯度热处理装置，其特征在于，包括炉体、抽真空设备、上加热电源和下加热电源；所述抽真空设备、上加热电源和下加热电源位于炉体外；所述炉体的侧壁上设置有红外热成像测温窗口（5）和空气出口（6）；所述抽真空设备与空气出口（6）相通；
所述炉体内设置有水冷接头（1）、上加热区（2）、下加热区（3）和环状辐射屏（4）；所述水冷接头（1）固定于炉体的顶部；
所述环状辐射屏（4）位于上加热区（2）和下加热区（3）之间，所述环状辐射屏的上端距离上加热区底端的距离为0~2mm，所述环状辐射屏的下端距离下加热区顶端的距离为0~2mm；所述环状辐射屏（4）沿轴向开设有宽1~2mm的细缝；所述细缝的长度与环状辐射屏（4）的高度相同；所述红外热成像测温窗口（5）与细缝的位置相匹配；
所述上加热区（2）设置有上加热棒（71）和上封闭隔热板（81），所述下加热区（3）设置有下加热棒（72）和下封闭隔热板（82）；所述上加热电源与上加热区（2）的上加热棒（71）相连，所述下加热电源与下加热区（3）的下加热棒（72）相连；所述上封闭隔热板（81）和下封闭隔热板（82）分别将上加热棒（71）和下加热棒（72）包围形成封闭加热区；在所述上封闭隔热板（81）的上壁和下壁以及下封闭隔热板（82）的上壁分别设有棒状材料穿过的通道；
所述环状辐射屏（4）的轴线与棒状材料的轴线以及上加热区（2）和下加热区（3）的垂直中心线重合；所述环状辐射屏（4）与棒状材料不接触。
2.根据权利要求1所述的棒状材料连续温度梯度热处理装置，其特征在于，所述环状辐射屏（4）的材质为钽或钼，所述环状辐射屏（4）的厚度为0.3~0.6mm，所述环状辐射屏（4）与棒状材料表面的距离为10~20mm。
3.根据权利要求1所述的棒状材料连续温度梯度热处理装置，其特征在于，所述上封闭隔热板（81）和下封闭隔热板（82）的材质为石墨毡，所述上封闭隔热板（81）和下封闭隔热板（82）板材的厚度独立取值于5~10mm。
4.根据权利要求1或3所述的棒状材料连续温度梯度热处理装置，其特征在于，所述上封闭隔热板（81）和下封闭隔热板（82）上用于棒状材料穿过的通道与棒状材料的间隙独立取值于3mm以下。
5.根据权利要求1~3任一项所述的棒状材料连续温度梯度热处理装置，其特征在于，在所述炉体的内壁上还设置有移动导轨（9）；所述上加热区（2）和下加热区（3）至少有一个可沿所述移动导轨（9）上下移动。
6.根据权利要求1~3任一项所述的棒状材料连续温度梯度热处理装置，其特征在于，还包括循环水装置，所述循环水装置与水冷接头相通。
7.一种棒状材料连续温度梯度热处理方法，利用权利要求1~5任一项所述棒状材料连续温度梯度热处理装置进行热处理，包括以下步骤：
将棒状材料从下到上依次穿过下加热区（3）的上壁、环状辐射屏（4）和上加热区（2）的下壁和上壁，上端固定于水冷接头（1）上；以所述棒状材料位于上加热区（2）和下加热区（3）之间对应的部分作为标样段；
利用抽真空设备将炉体抽真空，然后开启上加热电源和下加热电源，通过上加热棒（71）将所述棒状材料位于上加热区（2）的部分加热，下加热棒（72）将所述棒状材料位于下加热区（3）的部分加热，并沿着棒状材料的轴向进行传热，在所述棒状材料的标样段形成连续温度梯度；所述上加热区（2）和下加热区（3）设定的加热温度对应棒状材料标样段温度梯度的端点温度；
通过红外热成像测温窗口（5）测定所述标样段的连续温度梯度分布情况，待连续温度梯度分布稳定后，进行保温。
8.根据权利要求7所述的棒状材料连续温度梯度热处理方法，其特征在于，当所述棒状材料连续温度梯度热处理装置还包括循环水装置时，还包括在加热前开启循环水。
9.根据权利要求7或8所述的棒状材料连续温度梯度热处理方法，其特征在于，所述抽真空至3.3×10-2Pa以下。
10.根据权利要求7或8所述的棒状材料连续温度梯度热处理方法，其特征在于，所述棒状材料被加热前，还包括在所述棒状材料的标样段的外壁设置热电偶，待获得稳定的连续温度梯度后，通过热电偶对红外热成像测定的连续温度梯度进行修正。
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