CN114635017A - 大型金属构件喷淋式热处理装置及热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型金属构件喷淋式热处理装置及热处理方法，所述热处理装置包括本体、喷淋部和控制部；由于本发明的大型金属构件喷淋式热处理装置具有流量调节机构的喷淋部和具有温度监控机构的控制部的配合，能够有效确保冷却速率始终保持在控制范围内，并消除大型整体构件存在的区域间组织、性能不均匀的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料增材制造技术领域，尤其是涉及一种针对增材制造的大型金属构件喷淋式热处理装置及采用该装置进行的热处理方法。
背景技术
随着现代工业的发展，航空航天、船舶、铁路等领域对于大型整体合金构件的需求俞加强烈。大型合金整体构件能够通过结构设计满足工程上对于结构件的高强度以及轻量化的要求，其性能主要受制备方法以及后续处理的影响。热处理作为金属材料最为重要的调控方法，极大程度影响了合金构件的力学性能，热处理过程中保温温度、时间以及降温速率是热处理过程最为重要的参数。
而对于大型合金构件，热处理过程中其保温温度以及保温时间较为容易控制，但由于各个区域厚度等尺寸差异很大，对于如钛合金等传热系数较低的合金，传统热处理方法会使构件不同区域温度变化差异较大，无法控制大型构件不同区域的冷却速率，从而导致试样不同区域组织与性能差异较大，严重影响大型合金整体构件的性能和长期服役。因此，需研发一种在热处理过程中可精准调控大型合金整体构件各个区域冷却速率，进而提高大型构件组织与性能均匀性的装置。
发明内容
本发明提出并设计了一种新的大型金属构件喷淋式热处理装置，以解决前述现有技术中所存在的大型金属构件热处理过程中的构件不同区域温度和冷速变化差异大的问题，从而提高大型合金整体构件的组织与力学性能的整体均匀性。本发明的大型金属构件喷淋式热处理装置，通过调控大型金属构件不同区域喷淋头喷淋冷却水的流速以及喷淋时间，同时实时监控构件温度，进而控制大型构件整体冷速。
具体的，本发明首先提供一种大型金属构件喷淋式热处理装置，其特征在于：
所述热处理装置包括本体、喷淋部和控制部；
所述本体为三个平板围成的、纵截面呈“冂”形的框室；
所述喷淋部包括进水管路、流量调节机构、长度调节机构和喷淋喷口；
所述控制部包括温度监控机构和流量控制机构；
所述进水管路铺设于所述本体内部；其进水口凸设于所述本体的外壁；其出水口为多个，且均匀凸设于所述本体的内壁；
所述流量调节机构、长度调节机构和喷淋喷口与所述出水口一一对应，所述流量调节机构的一端与出水口连接，另一端通过所述长度调节机构与所述喷淋喷口连接；
所述温度监控机构设置于所述本体的内壁；
所述流量控制机构与所述流量调节机构通信连接。
进一步优选的，所述长度调节机构为可定型竹节弯管。
进一步优选的，所述热处理装置还包括可容纳于所述框室内、且可移动出所述框室外的钢架车。
进一步优选的，所述热处理装置还包括设置在所述本体外侧壁上的水蒸汽处理部，所述水蒸汽处理部包括抽气机和干燥器；所述干燥器一端通过管路与所述本体内部连通，另一端通过管路与所述抽气机连通；所述干燥器内部交错间隔设置有多个活性硅胶和换气风扇。
进一步优选的，所述本体的框室两端设置有可开闭的防水帘。
进一步优选的，所述本体的底部设置有防水垫。
进一步优选的，所述本体的底部设置有可伸缩的行走轮。
具体的，本发明还提供一种采用上述大型金属构件喷淋式热处理装置进行热处理的方法，其特征在于包括如下步骤：
根据大型金属构件的材质、形状尺寸和目标组织性能确定目标冷却速率，根据所述目标冷却速率设定喷淋流速和喷淋时间，并输入所述流量控制机构；
将加热保温后的大型金属构件移出热处理炉后移入所述框室内，随后根据大型金属构件的形状尺寸调节所述长度调节机构以将所述喷淋喷口置于喷淋工位；
通过所述流量控制机构启动所述流量调节机构按照设定的喷淋流速和喷淋时间进行喷淋处理，并通过所述温度监控机构实时监控所述大型金属构件的实际冷却速率，根据所述实际冷却速率与目标冷却速率的比较结果通过所述流量控制机构和所述流量调节机构实时调整喷淋流速。
进一步优选的，所述喷淋处理分为两个阶段，并且第二阶段的喷淋流速大于第一阶段。
进一步优选的，在移入所述框室内后，先自然冷却大型金属构件1-3分钟，并同时根据大型金属构件的形状尺寸以及喷淋部位调节所述长度调节机构以将所述喷淋喷口置于喷淋工位。
本发明的大型金属构件喷淋式热处理装置及方法：
首先，具有流量调节机构的喷淋部和具有温度监控机构的控制部的配合，能够有效确保冷却速率始终保持在控制范围内，并消除大型整体构件存在的区域间组织、性能不均匀的问题；
第二，通过硬质可定型竹节弯管的长度调节机构，易于调控喷淋区域以及与构件的距离，进而达到对构件不同区域的冷却液流速以及喷淋时间进行控制进而达到控制构件整体冷速均匀性的目的；
第三，通过水蒸汽处理部、放水垫、防水帘等部件的设置，既避免了冷却液溢出扩散到外界影响外部工业环境，又消除了水蒸汽对于冷却速率控制的不利影响。
第四，本发明中大型金属构件喷淋过程中的承载部件设置为钢架车，钢架车可更快地转移试样，且钢架结构更方便后续喷淋热处理中对不同部位进行喷淋，且避免冷却水堆积在平台上，影响不同部位的冷却速率。
附图说明
图1为本发明大型金属构件喷淋式热处理装置的主视图。
图2为本发明大型金属构件喷淋式热处理装置的立体图。
图3为本发明大型金属构件喷淋式热处理装置的钢架车示意图。
图4为本发明实施例的表层金相组织照片。
图5为本发明实施例的心部金相组织照片。
图6为本发明对比例的表层金相组织照片。
图7为本发明对比例的心部金相组织照片。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。
本发明大型金属构件喷淋式热处理装置面向工业环境中大型金属整体构件的热处理的冷却速率调控。值得注意的是，本发明面向的冷却速率主要为介于淬火到炉冷之间的对于大型构件较难控制的冷速（5～30℃/s），而对于冷速小于5℃/s的可直接采用炉冷降温，而对于冷速介于30～100℃/s，可直接将试样进行油淬，待遇冷却速率＞100℃/s，可直接进行水淬。
如图1-2所示，本发明的大型金属构件喷淋式热处理装置，包括本体、喷淋部和控制部。
其中，本体为三个平板围成的、纵截面呈“冂”形的框室。
喷淋部11包括进水管路、用于控制水流流量以及开通时间的流量调节机构5、长度调节机构6和喷淋喷口7。
控制部包括温度监控机构4和流量控制机构（未图示）。
进水管路铺设于本体内部；其进水口3凸设于本体的外壁，用于外接冷却水；其出水口为多个，且均匀凸设于所述本体的内壁，例如在两侧壁配有5×4个出水口，而在顶壁配有4×4个出水口。
流量调节机构5、长度调节机构6和喷淋喷口7与多个出水口一一对应，流量调节机构5的一端与出水口连接，另一端通过长度调节机构6与喷淋喷口7连接。
温度监控机构4（例如可以是红外温度监控***）设置于本体的内壁，可实时监控构件温度变化。
流量控制机构与流量调节机构5通信连接，以便于控制部对流量调节机构进行控制从而调整冷却液的喷淋流速和喷淋时间。
其中，长度调节机构6选用硬质可定型竹节弯管，规格选用4分（外径20mm），其末端连接喷淋喷口7，可定型竹节弯管目的是易于调控喷淋区域以及与构件的距离，进而达到对构件不同区域的冷却液流速以及喷淋时间进行控制进而达到控制构件整体冷速均匀性的目的。
热处理装置还包括可容纳于框室内、且可移动出框室外的钢架车（如图3所示），如此，当将大型构件由热处理炉取出后，迅速放入如图3所示的钢架车上，钢架车配有车轮用于更快地转移试样，且钢架结构是为后续喷淋热处理中更方便对不同部位进行喷淋，并避免冷却水堆积在平台上，影响试样不同部位的冷却速率。
热处理装置还包括设置在本体外侧壁上的水蒸汽处理部，水蒸汽处理部包括抽气机8和干燥器；干燥器设置在本体外壁上，其一端通过管路与本体内部连通，另一端通过管路与抽气机8连通；干燥器内部交错间隔设置有多个活性硅胶9和换气风扇10。如此，通过抽气机8对热处理装置内进行换气，进而消除水蒸气对外界环境的扩散，影响工业环境。抽气机8将气体抽出后通入干燥器内，干燥器内为交错间隔的多层活性硅胶9以及换气风扇10，例如经过3级充分干燥后再排入外界工业环境中。
本体的框室两端设置有可开闭的防水帘（未图示），如此，当将钢架车以及大型构件放入喷淋式热处理装置内后，框室两端使用防水帘与外界隔开，防止水汽溢出到外界。
本体的底部设置有防水垫1，防止喷淋过程中的冷却水流到外界还能起到稳固热处理装置的作用。同时，本体的底部设置有可伸缩的行走轮2，从而便于在不使用时将行走轮2伸出以将热处理装置进行移动，而在使用时将行走轮2缩回防水垫1内部，防止热处理装置使用中非必要的移动，并防止行走轮2被浸泡。
使用本发明的大型金属构件喷淋式热处理装置进行热处理时，首先根据大型金属构件的材质、形状尺寸和目标组织性能确定目标冷却速率，并进而根据目标冷却速率设定喷淋流速和喷淋时间，并将其输入流量控制机构；随后，对大型金属构件进行加热保温处理；随后，将加热保温后的大型金属构件移出热处理炉后立即移入本发明热处理装置的框室内，在移入所述框室内后，先自然冷却大型金属构件1-3分钟，并同时根据大型金属构件的形状尺寸以及喷淋部位调节长度调节机构6以将喷淋喷口7置于喷淋工位；随后，通过流量控制机构启动流量调节机构5按照预设的喷淋流速和喷淋时间进行喷淋处理，并通过温度监控机构4实时监控大型金属构件的实际冷却速率并反馈给流量控制机构，流量控制机构根据实际冷却速率与目标冷却速率的比较结果，通过控制流量调节机构5实时调整喷淋流速和喷淋时间。
具体的，对于不同金属的喷淋热处理过程参数可以进行如下选取：
将构件依据截面厚度（将其设定为截面内最小距离）进行分类，分别是厚度介于0mm～15mm，15mm～40mm，40mm～80mm，80mm～160mm以及＞160mm的区域，对于不同类型区域选用不同的喷淋部以不同的流速以及喷淋时间进行喷淋处理，喷淋部主要设置在形成前述厚度的两个表面上（也即，喷淋部喷淋区域为截面最小距离作为法线所在的平面，且需喷淋该法线穿过的两个平面，如以长方体大型构件为例，喷淋的表面为长方体六个面中面积最大的两个相对面）。本发明面向冷速需控制为10-30℃/s的冷却过程，也即为传统热处理过程的空冷过程。对于冷速介于5-30℃的冷速，将试样取出热处理炉后，需先进行1分钟到3分钟的空冷处理，目的是确保试样表面区域冷速达到需要进而得到所需组织，同时这段空冷时间也正好可用于布置喷淋喷口7至合适的喷淋工位（当被喷淋面为构件底部，由于钢架车底部镂空，因此可以将可定型竹节弯管调节至构件底部并朝向底部进行喷淋），对于每一个依据上文划分的构件区域，配置若干个喷淋部，喷淋部数量受分类区域尺寸影响，尺寸小于200mm配置一个喷淋部，此后每增加200mm多配置一个喷淋部，喷淋部配置在区域心部，喷淋喷口7距离区域表面200mm～400mm。随后启动流量调节机构5进行喷淋热处理，需要对大型构件试样进行两段喷淋，因为构件较厚，第一阶段喷淋是为调控构件外层冷却速率，而第二阶段喷淋是为调控构件心部层冷却速率。第一阶段水流通量对于（100~300）×（100~300）mm2的面积区域内，可依据如下公式进行计算：Q1a=1500h2/λ，其中λ为20℃时材料导热系数，h为构件截面平均厚度（计算时单位选用m），以TC4钛合金为例，在200×200mm2表面积区域范围，当平均截面厚度为20mm（0.02m），λ约为15，Q1a选用0.04公升/秒；第一阶段喷淋时间可用如下公式计算：t1a=20000h/λ，同样以TC4钛合金为例，当平均截面厚度为20mm，t1a选用27秒。随后，改变流量，第二阶段流量依据如下公式计算：Q2a=100Q1ah，以TC4钛合金为例，当平均截面厚度为20mm，Q2a选用0.08公升/秒，对于45号钢，当平均截面厚度为100mm，Q2a选用3公升/秒。第二阶段喷淋持续5-10分钟，确保试样充分冷却。
实施例：
对激光增材制造的TC4钛合金大型整体构件进行两相区上部双级退火热处理，大型整体构件依据区域厚度分为5个区域，平均截面厚度分别为10mm，55mm，38mm，150mm以及60mm，对试样进行980℃保温2小时后，放到钢架车上并一同放入喷淋式热处理装置内，布置好喷淋喷口以及喷淋参数后，打开喷淋部进行喷淋降温，同时，构件从热处理炉取出到喷淋降温之间空冷时间为2分钟。喷淋降温参数分别为区域1采用空冷；区域2第一阶段流量0.3公升/秒，喷淋时间73秒，第二阶段流量2.97公升/秒；区域3第一阶段流量0.14公升/秒，喷淋时间51秒，第二阶段流量0.98公升/秒；区域4第一阶段流量2.25公升/秒，喷淋时间200秒，第二阶段流量33公升/秒。区域5第一阶段流量0.36公升/秒，喷淋时间80秒，第二阶段流量2.16公升/秒。第二阶段喷淋时间为8分钟。随后对构件最厚截面心部与表层的组织进行观察，表层与心部组织如图4与图5所示。可以看出组织差异很小，组织均匀性良好。对构件心部与表层均进行了力学性能测试，抗拉强度分别为950MPa以及945MPa，伸长率分别为15%以及15.5%，差异很小，组织与性能均匀性良好。
对比例：
对与实施例中相同的激光增材制造的TC4钛合金大型整体构件进行两相区上部双级退火热处理，对试样进行980℃保温2小时后，直接进行空冷，随后对构件最厚截面心部与表层的组织进行观察，表层与心部组织如图6与图7所示。发现组织差异很大。对构件心部与表层进行了力学性能测试，抗拉强度分别为930MPa以及960MPa，伸长率分别为15%以及9%，性能与组织差异较大。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种大型金属构件喷淋式热处理装置，其特征在于：所述热处理装置包括本体、喷淋部和控制部；
所述本体为三个平板围成的、纵截面呈“冂”形的框室；
所述喷淋部包括进水管路、流量调节机构、长度调节机构和喷淋喷口；
所述控制部包括温度监控机构和流量控制机构；
所述进水管路铺设于所述本体内部；其进水口凸设于所述本体的外壁；其出水口为多个，且均匀凸设于所述本体的内壁；
所述流量调节机构、长度调节机构和喷淋喷口与所述出水口一一对应，所述流量调节机构的一端与出水口连接，另一端通过所述长度调节机构与所述喷淋喷口连接；
所述温度监控机构设置于所述本体的内壁；
所述流量控制机构与所述流量调节机构通信连接。
2.根据权利要求1所述的大型金属构件喷淋式热处理装置，其特征在于：所述长度调节机构为可定型竹节弯管。
3.根据权利要求1所述的大型金属构件喷淋式热处理装置，其特征在于：所述热处理装置还包括可容纳于所述框室内、且可移动出所述框室外的钢架车。
4.根据权利要求1所述的大型金属构件喷淋式热处理装置，其特征在于：所述热处理装置还包括设置在所述本体外侧壁上的水蒸汽处理部，所述水蒸汽处理部包括抽气机和干燥器；所述干燥器一端通过管路与所述本体内部连通，另一端通过管路与所述抽气机连通；所述干燥器内部交错间隔设置有多个活性硅胶和换气风扇。
5.根据权利要求1所述的大型金属构件喷淋式热处理装置，其特征在于：所述本体的框室两端设置有可开闭的防水帘。
6.根据权利要求1所述的大型金属构件喷淋式热处理装置，其特征在于：所述本体的底部设置有防水垫。
7.根据权利要求1所述的大型金属构件喷淋式热处理装置，其特征在于：所述本体的底部设置有可伸缩的行走轮。
8.采用权利要求1-7任意一项所述的大型金属构件喷淋式热处理装置进行热处理的方法，其特征在于包括如下步骤：
根据大型金属构件的材质、形状尺寸和目标组织性能确定目标冷却速率，根据所述目标冷却速率设定喷淋流速和喷淋时间，并输入所述流量控制机构；
将加热保温后的大型金属构件移出热处理炉后移入所述框室内，随后根据大型金属构件的形状尺寸调节所述长度调节机构以将所述喷淋喷口置于喷淋工位；
通过所述流量控制机构启动所述流量调节机构按照设定的喷淋流速和喷淋时间进行喷淋处理，并通过所述温度监控机构实时监控所述大型金属构件的实际冷却速率，根据所述实际冷却速率与目标冷却速率的比较结果通过所述流量控制机构和所述流量调节机构实时调整喷淋流速。
9.根据权利要求8所述的热处理的方法，其特征在于：所述喷淋处理分为两个阶段，并且第二阶段的喷淋流速大于第一阶段。
10.根据权利要求8所述的热处理的方法，其特征在于：在移入所述框室内后，先自然冷却大型金属构件1-3分钟，并同时根据大型金属构件的形状尺寸以及喷淋部位调节所述长度调节机构以将所述喷淋喷口置于喷淋工位。
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