張 敏,甘 琨,郭立梅

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所,山西 太原 030024)

真空熱處理技術(shù)具有無脫碳、耐氧化、脫脂、脫氣、表面質(zhì)量好、變形微小、綜合力學(xué)性能優(yōu)異等特點,成為提高金屬材料機(jī)械性能及其制造質(zhì)量的重要手段[1]。

真空高壓氣淬是在真空狀態(tài)下對工件加熱,采用惰性氣體為介質(zhì),將氣體壓縮后,經(jīng)噴嘴噴射到待處理的工件表面,使工件快速冷卻硬化的一種真空熱處理技術(shù)[2]。羅筠等[3]采用計算流體力學(xué)方法,建立了真空高壓氣淬爐爐膛的瞬態(tài)模型,模擬了圓柱形工件的淬火過程,預(yù)測了待加工工件處于爐內(nèi)不同位置處的冷卻效果及溫度曲線,并進(jìn)行了對比實驗。胡勇等[4]通過分析離心風(fēng)機(jī)的流量、全壓、內(nèi)功率、轉(zhuǎn)速、氣體壓強(qiáng)和密度等參數(shù)之間的關(guān)聯(lián),總結(jié)出上述參數(shù)對氣淬過程的影響。

本文以ZQL-180高壓氣淬爐為例,對不同電機(jī)功率、氣體壓力以及不同風(fēng)管布局下爐內(nèi)冷卻效果進(jìn)行研究分析。以GH3230高溫合金材料為研究對象,采用有限元分析軟件對爐內(nèi)氣體流場進(jìn)行分析,應(yīng)用數(shù)值模擬軟件FLUENT 模擬氣淬過程中的氣流場與溫度場,分析淬火氣體在不同壓力下的冷速曲線,找出適合于GH3230高溫合金材料的冷卻壓力范圍。

1 幾何模型

本文采用ZQL-180型真空氣淬爐在真空狀態(tài)下對合金零件及其他零件釬焊連接的氣淬熱處理。氣淬系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、葉輪、換熱器、風(fēng)管和噴嘴組成,氣淬系統(tǒng)及氣淬循環(huán)流動示意圖見圖1。該爐體恒溫區(qū)尺寸L×W×H為900 mm×900 mm×600 mm,最高工作溫度為1300 ℃。爐體內(nèi)惰性氣體通過風(fēng)機(jī)抽出后,經(jīng)過風(fēng)管快速將氣體噴向待淬工件,被循環(huán)氣體經(jīng)過換熱器達(dá)到降溫效果,如此循環(huán),使工件冷卻。

圖1 ZQL-180型真空氣淬爐氣淬過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas quenching process of ZQL-180 vacuum gas quenching furnace

2 控制方程

本文采用K-ε三維湍流模型,在分析計算過程中,涉及工件內(nèi)部熱量傳遞到工件表面與周圍氣體進(jìn)行熱量交換,屬于氣固耦合熱傳遞問題。通用控制方程為[5]:

(1)

式中:各項依次為非穩(wěn)態(tài)項、對流項、擴(kuò)散項和源項。

本文對計算模型進(jìn)行了合理的模擬簡化假設(shè):

1)氣體馬赫數(shù)Ma<0.3,可看成不可壓縮氣體流動,爐腔內(nèi)氣體流動為理想不可壓粘性流;

2)忽略密度變化所產(chǎn)生的浮升力對氣體流動的影響;

3)氣體流動為低速不可壓縮流動,可忽略由流體粘性力做功所引起的耗散熱;

4)忽略淬火風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)時間和再充氣時間,爐內(nèi)氣體壓力直接達(dá)到工作壓力;

5)假設(shè)換熱器有足夠大的換熱能力,尤其在熱交換初期。

3 材料參數(shù)

在數(shù)值模擬分析中需輸入各材料的熱物性參數(shù),包括密度、比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)和粘度,如表1所示。

表1 材料的熱物性參數(shù)

4 風(fēng)道設(shè)計

風(fēng)道的設(shè)計參數(shù)對噴嘴流出速度有一定影響,通過設(shè)計兩種風(fēng)道,采用FLUENT軟件對風(fēng)道流場進(jìn)行模擬分析,結(jié)果如圖2和圖3所示。由分析可知,采用錐形噴嘴內(nèi)部氣流更加均勻,流速也大幅提高,但錐形噴嘴加工成本高。由于本項目對工藝要求不是特別苛刻,綜合考慮采用直筒噴嘴。

圖2 直筒風(fēng)筒Fig.2 Straight air duct

圖3 錐形風(fēng)筒Fig.3 Conical air duct

5 氣體壓力的選擇

GH3230高溫合金分別在0.1、0.2、0.5、0.6、0.8和1 MPa氣體壓力下的冷卻速度曲線如圖4所示。由圖4可知,隨著氣體壓力的提高,工件的冷卻速率加快;氣體壓力在0.6～1 MPa時,冷卻效果較好。氣體壓力超過0.6 MPa時,氣體壓力增加對冷卻速度和工件溫差的增幅減少,考慮到使用成本,氣體壓力選擇0.8 MPa。爐內(nèi)氣流流動如圖5所示,在風(fēng)道末端噴嘴處速度較高,且在工件表面形成漩渦,熱對流換熱效率較高,工件冷卻效果明顯。

圖4 不同氣體壓力下工件的冷卻速度Fig.4 Cooling speed of workpiece under different gas pressure

圖5 流場矢量圖Fig.5 Flow field vector diagram

6 初始和邊界條件

氣淬過程屬于非穩(wěn)態(tài)問題,在氣淬過程中除了實際模擬流場和溫度場隨時間的變化,還需要給出初始條件和邊界條件。GH3230高溫合金材料在真空環(huán)境下加熱溫度為1100 ℃,真空度為5×10-5Pa,保溫一段時間后,向爐體內(nèi)快速充入氮氣對工件進(jìn)行冷卻。假設(shè)工件受熱均勻,初始溫度為1100 ℃,氮氣初始溫度為室溫,入口壓力為 5×105Pa,出口壓力為1×105Pa,氣體與爐體內(nèi)固體采用對流換熱模式。

7 冷卻電機(jī)功率的選擇

氣淬爐主要是以冷卻風(fēng)機(jī)為驅(qū)動,使?fàn)t體內(nèi)氣流循環(huán),對工件進(jìn)行冷卻,選擇合適的冷卻風(fēng)機(jī)對冷卻效果影響很大。一定氣壓下,流量越大,氣體與工件、換熱器之間熱交換頻率就越高。對不同功率下電機(jī)匹配合適型號葉輪,對應(yīng)配置參數(shù)如表2所示。不同功率下電機(jī)的冷卻效果如圖6所示,電機(jī)功率在132～200 kW之間,冷卻效果較好,考慮到成本等原因,電機(jī)功率選擇185 kW。

表2 不同電機(jī)功率與葉輪匹配參數(shù)

圖6 不同電機(jī)功率下工件的冷卻情況Fig.6 Cooling condition of workpiece under different motor power

結(jié)合數(shù)值模擬下氣體壓力與電機(jī)功率的選型,對GH3230高溫合金材料進(jìn)行現(xiàn)場實驗,實驗結(jié)果如圖7所示。經(jīng)過拉伸試驗和顯微組織分析,結(jié)果表明合金的力學(xué)性能滿足要求,該工藝數(shù)據(jù)具有一定參考性。

圖7 GH3230高溫合金材料實驗結(jié)果Fig.7 Experimental results of GH3230 superalloy materials

8 結(jié)論

1)通過模擬壓力氣體在爐內(nèi)的流場分布和工件的溫度場分布,分析了0.1、0.2、0.5、0.8和1 MPa氣體壓力下,流場的速度矢量分布,并得到較為準(zhǔn)確的工件冷卻曲線。結(jié)果表明,隨著氣體壓力的提高,工件整體、表面及中心的冷卻速度得到顯著提高。

2)綜合考慮成本和工藝,采用直筒噴嘴。

3)電機(jī)功率在132～200 kW之間,冷卻效果較好,綜合考慮成本等因素,電機(jī)功率選擇185 kW。