本发明涉及金属材料热处理领域。特别涉及一种温度梯度精确可控的双组织圆盘件梯度热处理炉设计方法。
背景技术：
高温合金涡轮盘件是航空航天用发动机的核心热端关键部件，直接决定着航空航天用发动机的推重比与服役可靠性。涡轮盘服役过程中其轮毂和轮缘部位因承受温度冲击和应力载荷存在差异，故要求具有不同的组织性能。轮毂因承受高应力和低温度，要求具有较为细小晶粒尺寸(轮毂晶粒度10～11级)，以保证高的屈服强度、抗拉强度，低循环疲劳性能，而轮缘承受低应力和高温度，要求具有粗大晶粒尺寸(轮缘晶粒度5～6级)，以保证高持久性能、高蠕变强度、高损伤容限能力，从而获得最优的力学性能，满足高温合金涡轮盘件轮缘和轮毂部分在高温服役下的性能要求。
上述组织性能要求涡轮盘件进行梯度热处理，梯度热处理炉与传统热处理炉获得均匀的温度场相悖。目前传统的热处理装备可以实现均一温度的热处理，针对热处理部件采用单一的腔室，实现整体均匀的热处理工艺。而目前国内尚未开发针对两种不同温度实现梯度热处理精确可控的热处理装备。文献“公开号cn102643958a的中国发明专利”公开了一种盘形件梯度热处理装置。该装置通过在上炉体和下炉体上分别设置一个冷却箱填充导热盐进行冷却，炉壁设置电阻带实现加热，可以获得盘形件较大的温度梯度。但是该装置无法有效实现工业生产圆盘件的方便放料，同时圆盘件具有较大的温度梯度，无法有效实现加热和有效控温的功能，无法有效获得较小的温度梯度以及对温度梯度区间的精准控制。因此，本发明提供了一种温度梯度精确可控的双组织圆盘件梯度热处理炉设计方法，实现工业级大尺寸高温合金圆盘件的梯度热处理工艺，并实现轮缘和轮毂部分的温度梯度精确可控，促进我国涡轮盘件轮缘/轮毂部分实现粗/细晶粒双性能组织制备。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种温度梯度精确可控的双组织圆盘件梯度热处理炉设计方法，其主要解决的技术问题在于：方便梯度热处理的工业型大尺寸圆盘工件取放，能够实现均匀加热并保持长时间进行梯度热处理，而且温度梯度能够实现在较宽温度范围内精确可控。
具体技术方案为：该梯度热处理炉包括开合行走机构、炉体、电热元件、轮缘测温热电偶、顶部加热/冷却模块、轮毂测温热电偶、上盖、上隔热桶、工件、下隔热桶、底部加热冷却模块、托举小车；其中，工件为待热处理圆盘件，用托举小车推送，并升高到炉内；炉体是平面开闭结构，由两个半圆结构闭合成一个圆柱体的炉体，两个半圆的炉体用中间转轴连接；电热元件均布在炉体内构成环形加热体，电热元件用于加热工件轮缘的温度；
轮缘测温热电偶用于测量炉内的温度显示轮缘温度，在上、下隔热筒以及炉体的圆周内均布热电偶，用于测量工件的轮缘温度；轮毂测温热电偶用于测量炉内心部的温度，测量工件的轮毂温度；
上、下隔热筒把工件的轮毂部分和轮缘部分隔离开；
电热元件和轮缘测温热电偶相连，通过硅碳棒加热，实现炉内的迅速升温；
顶部加热/冷却模块和底部加热/冷却模块用于加热/冷却工件的内部轮毂温度，加热/冷却模块和轮毂测温热电偶相连，通过电阻丝加热以及氩气气冷，实现炉内的迅速升温和气体冷却，实现工件轮毂部位的控温；
托举小车上装有升举装置，移动小车把工件安装在升举装置上以后，打开加热炉，小车推入炉内，并把工件升举到加热位置后，合上两扇炉体，进行加热；工件达到工艺要求后，打开两扇炉门把工件降落，用小车把加热工件推出。
本热处理炉的梯度热处理步骤如下：
步骤1，装炉：通过气缸水平平移打开环形加热炉体，通过托举小车装入圆盘工件，闭合环形加热炉体；
步骤2，梯度热处理：打开加热电源，通过布置在工件外圈的电热元件和工件中心的顶部和底部加热/冷却模块实现同时快速升温，此时隔热筒直径保证隔热作用并使高温区在轮缘的设定位置处，温度升高到设定温度时，顶部和底部加热/冷却模块通过电阻丝进行加热和均匀分布的氩气充气管进行气体冷却过程，实现轮毂部分热处理温度的精确可控；同时轮缘部分通过电热元件将温度快速升至目标温度，此时通过环形加热体和中心的顶部和底部加热/冷却模块实现大温度梯度的梯度热处理，到达热处理时间后关闭电源；
步骤3，出炉：待圆盘工件冷却至室温后，通过气缸水平平移打开环形加热炉体，利用炉体中心部分支撑结构托举热处理圆盘工件，取出圆盘工件，闭合环形加热炉体，完成对圆盘工件的梯度热处理。
所述电热元件由硅碳棒进行加热，实现环状的四个区域分布设置，实现均匀加热过程。
上、下隔热筒内分别设置8个热电偶，实现轮缘的控温和测温操作。
上、下隔热桶通过厚度和直径设计，能够隔热工件轮缘热区和轮毂冷区设定位置，实现不同位置的梯度热处理。
顶部和底部加热/冷却模块通过电阻丝进行加热以及氩气气冷，实现轮毂部位的加热和冷却的控温功能。
通过顶部和底部加热/冷却模块分别设置4个热电偶，实现轮毂的精确控温和测温操作。
工件上下表面用陶瓷纤维毡或高硅砖保温材质填充保温。
该方法实现轮毂部分850～1050℃精确控温的热处理温度，轮缘部分1000～1200℃热处理温度，进而实现圆盘件较宽温度梯度内的长时间热处理。
本发明相比现有技术的优点及有益效果是：
(1)本发明的炉体采用整体两半开闭的方式，方便加热工件的取出和进入。并方便检查炉内各个元件的性能
(2)上下隔热筒把加热工件的心部和外部分开加热，使得加热工件形成中部和外部的温度差形成梯度梯度，从而满足加热工件轮毂和轮缘部分不同热处理工艺要求。
(3)本发明的加热/冷却模块，通过电阻丝实现中心加热以及氩气吹扫实现气体冷却，可以高效实现轮毂部位升温过程，并在高温阶段实现轮毂部位的冷却控制操作。炉体环形加热体对轮缘进行加热、中心加热/冷却功能模块进行轮毂控温，能够实现圆盘件轮缘和轮毂部分在50～400℃宽温度范围内梯度热处理，而且能够实现圆盘件在较大温度梯度下加热温度均匀、高效加热和有效控温、温度梯度精确可控。
(4)与传统热处理方法相比，本发明有效实现对工业级大尺寸高温合金圆盘件的梯度热处理，实现高温合金圆盘件轮缘/轮毂部分具有粗/细晶粒双性能组织。
附图说明
图1是双组织圆盘件梯度热处理炉整体示意图；
图2是转动扇叶；
图3是上隔热筒；
图4是加热/冷却模块；
图5传统热处理工艺下gh720li合金的晶粒组织图片；
图6梯度热处理下gh720li合金粗/细晶粒双性能组织图片；(a)是轮毂部分细晶粒组织(晶粒度10～11级)，可承受高应力和低温度，以保证高的屈服强度、抗拉强度，低循环疲劳性能；(b)是轮缘部分粗晶粒组织(晶粒度5～6级)，可承受低应力和高温度，以保证高持久性能、高蠕变强度、高损伤容限能力，从而获得圆盘件最优的力学性能。
图中：1开合行走机构；2炉体；3电热元件；4轮缘测温热电偶；5顶部加热/冷却模块；6轮毂测温热电偶；7上盖；8上隔热筒；9工件；10下隔热筒；11底部加热/冷却模块；12托举小车。
具体实施方式
现结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不只限于所述内容。
实施例1：
本实施例材料是名义成分为gh720li的镍基高温合金，相比于传统热处理工艺下得到的盘件组织(见图5)，本实施例制备得到的gh720li合金圆盘件轮缘/轮毂部分具有粗/细晶粒双性能组织(见图6)。
梯度热处理具体实施步骤：
装炉：通过气缸水平平移打开环形加热炉体，装入圆盘工件，闭合环形加热炉体；
梯度热处理：打开加热电源，通过环形加热体和中心加热模块实现同时快速升温，此时隔热环直径保证隔热作用并使高温区在轮缘的50mm位置，温度升高到600℃时，在控温过程中通过均匀分布的氩气充气管实现气体冷却过程，实现轮毂部分850℃热处理温度的精确可控。同时轮缘部分通过环形加热体的电阻硅碳棒将温度快速升至1150℃，此时通过环形加热体和中心加热/冷却模块实现大温度梯度300℃下的梯度热处理，到达热处理时间后关闭电源；
出炉：待圆盘工件冷却至室温后，通过气缸水平平移打开环形加热炉体，利用炉体中心部分支撑结构托举热处理圆盘工件，取出圆盘工件，闭合环形加热炉体，完成对圆盘工件的梯度热处理。
本实施例可实现圆盘件轮缘和轮毂部分在300℃的大温度梯度下进行梯度热处理，轮缘部分加热温度为1150℃，轮毂部分加热温度为850℃，热处理时间4h，具有温度均匀、温度梯度精确可控的特点，环形电阻加热炉主体方便进行梯度热处理的工业型大尺寸圆盘工件的取放。设备要求低，可获得高品质、低成本、尺寸为φ800×150mm、轮缘/轮毂部分具有粗/细晶粒双性能组织的gh720li合金圆盘件，保证轮缘部位具有高持久性能、高蠕变强度、高损伤容限能力，保证轮毂部位具有高的屈服强度、抗拉强度，低循环疲劳性能，满足高温合金涡轮盘件轮缘和轮毂部分在高温服役下的性能要求。
实施例2：
与实施例1不同的是：本实施例中可实现圆盘件轮缘和轮毂部分在200℃的小温度梯度下进行梯度热处理，轮缘部分加热温度为1150℃，轮毂部分加热温度为950℃，热处理时间4h。同时改变隔热挡板环厚度，保证隔热作用并使高温区在轮缘的80mm位置，实现轮缘/轮毂之间200℃小温度梯度区间的控制，其它梯度热处理步骤及工艺参数与实施例1相同。本实施例制备得到的gh720li合金圆盘件的轮缘/轮毂部分亦具有粗/细晶粒双性能组织，其梯度组织位置发生了变化。
实施例3：
与实施例1不同的是：本实施例中可实现尺寸为φ800×160mm圆盘件轮缘和轮毂部分在100℃的小温度梯度下进行梯度热处理，轮缘部分加热温度为1150℃，轮毂部分加热温度为1050℃，热处理时间4h。同时改变隔热挡板环厚度，保证隔热作用并使高温区在轮缘的100mm位置，实现轮缘/轮毂之间100℃小温度梯度区间的控制，其它梯度热处理步骤及工艺参数与实施例1相同。本实施例制备得到的gh720li合金圆盘件的轮缘/轮毂部分亦具有粗/细晶粒双性能组织，增加圆盘件的厚度，降低局部应力水平，保证gh720li合金涡轮盘件在高温工作下的组织稳定性。
结合以上对本发明的详细描述可以看出，相对于现有技术，本发明至少具有以下有益技术效果：
(1)本发明的环形加热体中心部分采用支撑结构托举热处理圆盘工件，具有中心限位功能，方便工业型大尺寸的圆盘工件取放；
(2)本发明的炉体环形加热体对轮缘进行加热、中心加热/冷却功能模块进行轮毂控温，能够实现圆盘件轮缘和轮毂部分在50～400℃宽温度范围内梯度热处理，而且能够实现圆盘件在较大温度梯度下加热温度均匀、高效加热和有效控温、温度梯度精确可控。
(3)与传统热处理方法相比，本发明有效实现对工业级大尺寸高温合金圆盘件的梯度热处理，实现高温合金圆盘件轮缘/轮毂部分具有粗/细晶粒双性能组织。
根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。
1.温度梯度精确可控的双组织圆盘件梯度热处理炉设计方法，其特征在于，该梯度热处理炉包括开合行走机构(1)、炉体(2)、电热元件(3)、轮缘测温热电偶(4)、顶部加热/冷却模块(5)、轮毂测温热电偶(6)、上盖(7)、上隔热桶(8)、工件(9)、下隔热桶(10)、底部加热冷却模块(11)、托举小车(12)；其中，工件(9)为待热处理圆盘件，用托举小车(12)推送，并升高到炉内；炉体(2)是平面开闭结构，由两个半圆结构闭合成一个圆柱体的炉体，两个半圆的炉体用中间转轴连接；电热元件(3)均布在炉体内构成环形加热体，电热元件(3)用于加热工件(9)轮缘的温度；
轮缘测温热电偶(4)用于测量炉内的温度显示轮缘温度，在上、下隔热筒以及炉体(2)的圆周内均布热电偶，用于测量工件(9)的轮缘温度；轮毂测温热电偶(6)用于测量炉内心部的温度，测量工件(9)的轮毂温度；
上、下隔热筒把工件(9)的轮毂部分和轮缘部分隔离开；
电热元件(3)和轮缘测温热电偶(4)相连，通过硅碳棒加热，实现炉内的迅速升温；
顶部加热/冷却模块(5)和底部加热/冷却模块(11)用于加热/冷却工件的内部轮毂温度，加热/冷却模块和轮毂测温热电偶(6)相连，通过电阻丝加热以及氩气气冷，实现炉内的迅速升温和气体冷却，实现工件(9)轮毂部位的控温；
托举小车(12)上装有升举装置，移动小车把工件安装在升举装置上以后，打开加热炉，小车推入炉内，并把工件升举到加热位置后，合上两扇炉体，进行加热；工件达到工艺要求后，打开两扇炉门把工件降落，用小车把加热工件推出；
所述热处理炉的梯度热处理步骤如下：
步骤1，装炉：通过气缸水平平移打开环形加热炉体(2)，通过托举小车(12)装入圆盘工件，闭合环形加热炉体(2)；
步骤2，梯度热处理：打开加热电源，通过布置在工件(9)外圈的电热元件(3)和工件(9)中心的顶部和底部加热/冷却模块实现同时快速升温，此时隔热筒直径保证隔热作用并使高温区在轮缘的设定位置处，温度升高到设定温度时，顶部和底部加热/冷却模块通过电阻丝进行加热和均匀分布的氩气充气管进行气体冷却过程，实现轮毂部分热处理温度的精确可控；同时轮缘部分通过电热元件(3)将温度快速升至目标温度，此时通过环形加热体和中心的顶部和底部加热/冷却模块实现大温度梯度的梯度热处理，到达热处理时间后关闭电源；
步骤3，出炉：待圆盘工件冷却至室温后，通过气缸水平平移打开环形加热炉体，利用炉体中心部分支撑结构托举热处理圆盘工件，取出圆盘工件，闭合环形加热炉体，完成对圆盘工件的梯度热处理。
2.根据权利要求1所述的温度梯度精确可控的双组织圆盘件梯度热处理炉设计方法，其特征在于，所述电热元件(3)由硅碳棒进行加热，实现环状的四个区域分布设置，实现均匀加热过程。
3.根据权利要求1所述的温度梯度精确可控的双组织圆盘件梯度热处理炉设计方法，其特征在于，上、下隔热筒内分别设置8个热电偶，实现轮缘的控温和测温操作。
4.根据权利要求1所述的温度梯度精确可控的双组织圆盘件梯度热处理炉设计方法，其特征在于，上、下隔热桶通过厚度和直径设计，能够隔热工件(9)轮缘热区和轮毂冷区设定位置，实现不同位置的梯度热处理。
5.根据权利要求1所述的温度梯度精确可控的双组织圆盘件梯度热处理炉设计方法，其特征在于，顶部和底部加热/冷却模块通过电阻丝进行加热以及氩气气冷，实现轮毂部位的加热和冷却的控温功能。
6.根据权利要求1所述的温度梯度精确可控的双组织圆盘件梯度热处理炉设计方法，其特征在于，通过顶部和底部加热/冷却模块分别设置4个热电偶，实现轮毂的精确控温和测温操作。
7.根据权利要求1所述的温度梯度精确可控的双组织圆盘件梯度热处理炉设计方法，其特征在于，工件(9)上下表面用陶瓷纤维毡或高硅砖保温材质填充保温。
8.根据权利要求1所述的温度梯度精确可控的双组织圆盘件梯度热处理炉设计方法，其特征在于，该方法实现轮毂部分850～1050℃精确控温的热处理温度，轮缘部分1000～1200℃热处理温度，进而实现圆盘件较宽温度梯度内的长时间热处理。
技术总结