CN215525294U - 一种热模拟试验机用超低温急冷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及材料物理模拟检测领域，具体为一种热模拟试验机用超低温急冷装置。在工作腔体内设置可调支架、致冷器、电磁阀、高压金属管路和外置高压气源，以外部高压气体为源，电磁阀为控制元件，通过金属管路连入热模拟试验机工作腔体内；利用工作腔体内可调支架实现精确定位，将高压气体通过致冷器以液态冷却剂的形式喷射在热模拟试样的表面，通过液态冷却剂气化吸热实现试样的超低温急冷，由电磁阀控制热模拟试样超低温急冷过程。本实用新型利用高压气源通过致冷器形成超低温冷却剂,液态冷却剂的急冷以及受热挥发避免了直接在腔体内进行水冷后对设备的清理与损害，急冷效果也要远优于传统的气冷或水气混合冷却方式。

Description

一种热模拟试验机用超低温急冷装置

技术领域

本实用新型涉及材料物理模拟检测领域，具体为一种热模拟试验机用超低温急冷装置。

背景技术

热模拟试验机是一类用于材料动态热加工模拟的试验设备。它可以动态地模拟材料加热、冷却及变形过程。模拟范围包括轧制锻压、连铸冶炼、焊接、烧结、热处理、机械热疲劳等方面。通过测定材料的高温力学性能、热物性及CCT/TTT曲线、应力应变曲线等，为试验者制订和改良其生产工艺提供可靠的实验依据。此类设备通常采用电阻加热或感应加热方式，配合液压控制技术、计算机编程控制技术，实现所需的变形力、行程速度、变形速率、加热和冷却速率。其具有的模拟试验精度高、重复性好、试样小等特点，能够很好地满足多种复杂工艺条件的模拟需求。

研究材料在高温或高温变形条件下的显微组织非常重要，可以为研究者深入了解材料显微组织演变规律提供必要的信息。因此如何保留试样在加热或热变形过程中的原位组织成为一项重要的任务。目前的热模拟试验机主要是通过高导热率的夹具加上选配的气/水淬火系统组成冷却系统，使冷却速率从几十到一二百℃/s。

受制于气/水淬火系统的冷却能力，对于较高速率下的实验样品还是很难做到“冷冻”原位显微组织的目的。另外，气/水淬火系统特别是以水气混合为主的冷却方式对于热模拟设备的真空系统以及实验腔体的清理、腔内零配件的腐蚀老化等都有重要影响，严重降低了实验效率和设备寿命。

中国专利公开号CN2627492Y《电阻型热模拟试验机试验夹头装置》提出在原试验夹头装置的基础上增加旁路水冷系统，可使夹头得到充分的水冷，提高试样的冷却效果，加大冷却速度。中国专利公开号CN201653791U《热模拟机配套使用的改进型喷水冷却装置》提出了一种改进型喷水冷却装置，改善压缩试样的冷却速度，同时减少喷水面积，大大改善试验环境和提高实验效率。中国专利公开号CN102680308A《金属材料HAZ试验的快速冷却方法及配套的试验工装》提出在现有热力物理模拟试验机用于装夹金属试样的夹具中增加冷却水道，并使水道的出水沿贴近金属试样表面方向平行流出，使得金属试样能够四面均匀冷却。中国专利公开号CN108097726A《一种模拟热轧钢板轧后冷却工艺的试验方法》提出将热模拟试验机淬火系统喷水管接入工作腔体，调整并固定冷却水喷头。采用热电偶控温模式获得设定的冷却开始温度和结束温度功率角平均值，用于低成本试验研究热轧带钢轧后层流冷却工艺。

中国专利公开号CN104316387A《热模拟平面应变试样及该试样的冷却方法》提出了一种热模拟平面应变试样，以通水冷却方式为主，以气体冷却方式为辅，可对大平面应变试样进行快速及可控冷却。中国专利公开号106018458A《一种差温轧制的热模拟方法》提出在热模拟试验机工作腔体内增设喷气冷却装置来实现差温轧制工艺研究。中国专利公开号CN202107743U《一种适用于电阻式热模拟试验机的连续退火模拟装置》提出选用两边宽、中间窄的板状试样，增大中部试样加热时的电流密度，保证均温区的温度均匀性；后端夹持的楔形夹具，延长试样的自由跨度，减少试样端部的热传导损失，增大均温区长度；采用多个多孔喷气装置，对中部均温区域进行均匀冷却，保证冷却过程中冷却速度的一致性。

另外，中国专利公开号CN201756574U《热模拟试验机板带退火系统的试样冷却装置》提出了一种配置滑动或转动喷嘴的冷却装置，使喷嘴与试样的相对位置可以在较宽的范围内调节，通过旋转喷嘴来改变冷却的吹扫面积，使热模拟试验机的板带退火系统具备很好的强制冷却能力，扩大控制冷却速度的范围。中国专利公开号CN202351129U《一种快冷楔形压缩卡具》提出通过加大楔形卡具的厚度，减小支撑卡具的长度来提高砧子的散热能力。实际改善作用有限。中国专利公开号CN201021918Y《一种热模拟试验机的试样急冷装置》提出了一种可调节的试样急冷装置，以解决急冷时因喷头与试样对不准，喷头喷出的冷却介质无法直接喷向试样而导致试样达不到预计冷却效果的问题。其仍然采用的是传统的气体或水作为冷却介质。专利公开号CN201535733U《一种热模拟试验机试样的喷嘴式冷却装置》提出了一种喷嘴式冷却装置，便于调整适当的位置以达到更好的冷却效果。中国专利公开号CN207423651U《一种热力模拟试验机用压头装置》提出使用新结构压头装置可以简化试样加工工序，提高试样能够获得的冷却速度。由于压头部分没有大的变化，散热能力主要还是来自于设备自身的循环水冷系统。中国专利公开号CN202066747U《一种热模拟机夹头装置》提出一种采用砧头套带内腔并连接真空连接管、进水管和回水管的结构设计，在试样冷却时通过流经砧头套腔体的循环冷却水将试样的热量带走，显著增加试样的冷却速度。

中国专利公开号CN103710529A《一种基于超快冷系统的Q235钢组织性能预报方法》提出在不同冷却路径下Q235钢的组织性能分析和冷却路径控制，其最大超快冷冷速为120℃/s。该条件可以在热模拟试验机标配淬火系统下实现，没有利用其他辅助手段。中国专利公开号CN112729978A《用于Gleeble热模拟试验机压缩实验快速冷却方法》提出先对试样进行10～15s喷气冷却操作，再打开试验舱门，用镊子夹持试样放至装水的水桶中完成淬火试验。能够避免直接喷气冷却时冷速达不到要求，也避免了直接在腔体内进行水冷时设备清理耗时耗力的问题。

综上所述，目前对于热模拟试验机的冷却方式主要还是基于设备自带的气/水淬火冷却系统，或者对于热模拟试验机的加热砧子的改进优化等措施。中国专利公开号CN209020960U《基于热模拟试验机的适用于热轧薄板的辅助冷却装置》提出一种用于热轧薄板的辅助冷却装置，通过一侧夹板上开设的液氮注入孔来实现热轧薄板的均匀冷却处理。但该专利方法不适用于圆柱形拉伸、压缩以及CCT/TTT等实验类型，而且由于液氮的超低温特性，其直接输运管路要求苛刻、体积庞大，难以布置在热模拟试验机有限的工作腔体范围内，实用性不高。

因此，虽然对于热模拟试验机的试样冷却取得了一定的应用成果，但采用超低温冷却介质达到急冷的工况还比较困难。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提出一种热模拟试验机用超低温急冷装置，应用该装置可进行材料热模拟的超低温急冷。外置高压气源通过高压金属管路导入热模拟试验机工作腔体内的致冷器以形成液态冷却剂，体积小、输运效率高，易于在有限空间内布置。而且由于液态冷却剂的受热挥发避免直接在腔体内进行水冷后对设备的清理与损害。

本实用新型的技术方案是：

一种热模拟试验机用超低温急冷装置，该装置包括：工作腔体、工作砧子、热模拟试样、热电偶、可调支架、致冷器、连接管路、电磁阀、高压气源，具体结构如下：

热模拟试样水平夹持于工作腔体内相对设置的一对工作砧子之间，热电偶焊接在热模拟试样的中部表面，并通过线路与热模拟试验机的控制部分连接；可调支架安装在工作腔体内，致冷器固定在可调支架上，通过可调支架调节致冷器前端的喷嘴垂直指向热模拟试样表面，致冷器的后端接口通过水平的连接管路与工作腔体外的电磁阀出气口连接，电磁阀的进气口与高压气源连接。

所述的热模拟试验机用超低温急冷装置，喷嘴与热模拟试样表面的间距为1～20mm。

所述的热模拟试验机用超低温急冷装置，热模拟试样的外侧设置感应线圈。

本实用新型的设计思想是：

在进行材料热模拟实验时，超低温急冷可以保留材料在热模拟过程中的原位显微组织信息，避免高温砧子对试验完成后试样的加热效应。本实用新型以外部高压气体为源，电磁阀为控制元件，通过金属管路连入热模拟试验机工作腔体内。利用工作腔体内可调支架实现精确定位，将高压气体通过致冷器以液态冷却剂的形式喷射在热模拟试样的表面，通过液态冷却剂气化吸热实现试样的超低温急冷，通过电磁阀实现试样超低温急冷过程的可控。

本实用新型的优点及有益效果是：

本实用新型在工作腔体内设置可调支架、致冷器、电磁阀、高压金属管路，外置高压气源布置于工作腔体外。利用高压气源通过致冷器形成的超低温冷却剂,实现热模拟试样的超低温急冷。由于液态冷却剂的急冷以及受热挥发避免了直接在腔体内进行水冷后对设备的清理与损害，急冷效果也要远优于传统的气冷或水气混合冷却方式。

附图说明

图1为电阻加热型热模拟试验机用超低温急冷装置的示意图。

图中，1为工作腔体，2为工作砧子，3为热模拟试样，4为热电偶，5为可调支架，6为致冷器，7为喷嘴，8为连接管路，9为电磁阀，10为高压气源。

图2为感应加热型热模拟试验机用超低温急冷装置的示意图。

图中，1为工作腔体，2为工作砧子，3为热模拟试样，4为热电偶，5为可调支架，6为致冷器，7为喷嘴，8为连接管路，9为电磁阀，10为高压气源，11为感应线圈。

具体实施方式

在具体实施过程中，如图1-图2所示，本实用新型热模拟试验机用超低温急冷方法，包括以下步骤：根据实验要求，在热模拟试验机上进行热模拟试样3的安装：在工作腔体1内，由两个工作砧子2夹持热模拟试样3；一组热电偶4被焊接在热模拟试样3的中部外表面；调整布置在热模拟试验机工作腔体1内的可调支架5，使固定在可调支架5上的致冷器6的喷嘴7指向热模拟试样3的中部，与热电偶焊点位置成90～180°分布；根据实验需要编写实验程序后启动热模拟试验机运行；热模拟试验机相应实验程序完成后，通过手动或程序联动电磁阀9，使外置高压气源10中的高压气体通过高压金属连接管路7进入工作腔体1内的致冷器6，以液态冷却剂的形式喷射在实验后的热模拟试样3表面，达到急冷的目的；根据热电偶4反馈的热模拟试样3的温度，通过手动或程序联动电磁阀9，停止液态冷却剂的喷射，完成热模拟实验过程。

下面，结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，电阻加热型热模拟试验机用超低温急冷装置，主要包括：工作腔体1、工作砧子2(一对)、热模拟试样3、热电偶4、可调支架5、致冷器6、喷嘴7、连接管路8、电磁阀9、高压气源10，具体结构如下：

热模拟试样3水平夹持于工作腔体1内相对设置的一对工作砧子2之间，热电偶4焊接在热模拟试样3的中部表面，并通过线路与热模拟试验机的控制部分连接，用于检测温度变化和控制加热功率。可调支架5安装在工作腔体1内，致冷器6固定在可调支架5上，通过可调支架5调节致冷器6前端的喷嘴7垂直指向热模拟试样3表面，喷嘴7与热模拟试样3表面的间距为1～20mm。致冷器6的后端接口通过水平的连接管路8与工作腔体1外的电磁阀9出气口连接，电磁阀9的进气口与高压气源10连接。

本实施例中，电阻加热型热模拟试验机用超低温急冷方法如下：

1、根据压缩实验要求，在热模拟试验机上进行圆柱形压缩热模拟试样3的安装：在工作腔体1内，由两个工作砧子2夹持圆柱形压缩热模拟试样3，利用热模拟试验机加热电源通过两个工作砧子2的电流使得圆柱形压缩热模拟试样3电阻加热。

2、一组热电偶4被焊接在圆柱形压缩热模拟试样3的中部外表面；

3、调整布置在热模拟试验机工作腔体1内的可调支架5，使固定在可调支架5上的致冷器6的喷嘴7指向圆柱形压缩热模拟试样3的中部，喷嘴7指向热模拟试样3的位置与热电偶焊点位置沿圆周成90°分布；

4、根据压缩实验需要编写压缩实验程序后启动热模拟试验机运行；

5、热模拟试验机压缩实验程序完成后，通过手动启动电磁阀9，使外置高压气源10中的高压氮气(氮气压力为28MPa)通过高压金属连接管路8进入工作腔体1内的致冷器6，以液氮的形式喷射在实验后的圆柱形压缩热模拟试样3表面，达到急冷的目的，其冷却速度为300℃/s；

6、根据热电偶4反馈的圆柱形压缩热模拟试样3的温度，通过手动启动电磁阀9，停止液氮的喷射，完成压缩热模拟实验过程。

实施例2

如图2所示，感应加热型热模拟试验机用超低温急冷方法和装置，主要包括：工作腔体1、工作砧子2(一对)、热模拟试样3、热电偶4、可调支架5、致冷器6、喷嘴7、连接管路8、电磁阀9、高压气源10、感应线圈11，具体结构如下：

热模拟试样3水平夹持于工作腔体1内相对设置的一对工作砧子2之间，热模拟试样3的外侧设置感应线圈11，热电偶4焊接在热模拟试样3的中部表面，并通过线路与热模拟试验机的控制部分连接，用于检测温度变化和控制感应电源功率。可调支架5安装在工作腔体1内，致冷器6固定在可调支架5上，通过可调支架5调节致冷器6前端的喷嘴7垂直指向热模拟试样3表面，喷嘴7与热模拟试样3表面的间距为1～20mm。致冷器6的后端接口通过水平的连接管路8与工作腔体1外的电磁阀9出气口连接，电磁阀9的进气口与高压气源10连接。

本实施例中，感应加热型热模拟试验机用超低温急冷方法如下：

1、根据热处理实验要求，在热模拟试验机上进行板带热模拟试样3的安装：在工作腔体1内，由两个工作砧子2夹持板带热模拟试样3穿过感应线圈11，由感应线圈11对板带热模拟试样3进行感应加热；

2、一组热电偶4被焊接在板带热模拟试样3的中部一侧；

3、调整布置在热模拟试验机工作腔体1内的可调支架5，使固定在可调支架5上的致冷器6的喷嘴7指向板带热模拟试样3的中部，喷嘴7指向热模拟试样3的位置与热电偶焊点沿圆周位置成180°分布；

4、根据热处理实验需要编写热处理实验程序后启动热模拟试验机运行；

5、热模拟试验机热处理实验程序完成后，通过程序联动电磁阀9，使外置高压气源10中的高压氩气(氩气压力为35MPa)通过高压金属连接管路8进入工作腔体1内的致冷器6，以液氩的形式喷射在实验后的板带热模拟试样3表面，达到急冷的目的，其冷却速度为500℃/s；

6、根据热电偶4反馈的板带热模拟试样3的温度，通过程序联动电磁阀9，停止液氩的喷射，完成热处理模拟实验过程。

实施例结果表明，本实用新型方法和装置不仅可以手动控制电磁阀，也可以接入热模拟试验机进行程序联动；本实用新型方法和装置不仅可用于热变形试样的超低温急冷，还可用于试样在超低温条件下的物理模拟研究。本实用新型方法和装置既可以采用单个致冷器实现单点冷源，也可以在可调支架上布置阵列式致冷器实现多点冷源。

Claims (3)

1.一种热模拟试验机用超低温急冷装置，其特征在于，该装置包括：工作腔体、工作砧子、热模拟试样、热电偶、可调支架、致冷器、连接管路、电磁阀、高压气源，具体结构如下：

热模拟试样水平夹持于工作腔体内相对设置的一对工作砧子之间，热电偶焊接在热模拟试样的中部表面，并通过线路与热模拟试验机的控制部分连接；可调支架安装在工作腔体内，致冷器固定在可调支架上，通过可调支架调节致冷器前端的喷嘴垂直指向热模拟试样表面，致冷器的后端接口通过水平的连接管路与工作腔体外的电磁阀出气口连接，电磁阀的进气口与高压气源连接。

2.按照权利要求1所述的热模拟试验机用超低温急冷装置，其特征在于，喷嘴与热模拟试样表面的间距为1～20mm。

3.按照权利要求1所述的热模拟试验机用超低温急冷装置，其特征在于，热模拟试样的外侧设置感应线圈。

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