面向材料基因库建立的系列合金样同步热处理设备及方法

1.本发明属于面向材料基因库建立的系列合金样同步热处理技术领域，具体涉及一种面向材料基因库建立的系列合金样同步热处理设备及方法。


背景技术：

2.材料是人类文明的见证，从最初的石器时代一直到近现代的新材料时代，材料创新一直是颠覆时代发展的技术关键。在漫长的人类文明中，从现有材料到创新材料的研发一直是依赖于传统科学经验与试错的办法。此外，由于在材料研发过程中的多组合金成分设计所导致的大量样本实验，使得材料研发极为困难，依靠传统的“反复试错”的方法整个研发周期漫长、效率低，这显然已与现在飞速发展的工业速率无法匹配。目前，基于材料基因组计划(mgi)的高通量技术通过结合材料信息学原理能够批量完成多组合金成分试样的合成、加工和表征，很快成为近些年来材料创新的技术热点。
3.材料的成分设计和后热处理是材料创新和研发的两个主要方面，因此如何进行高效率的实验设计成为材料研发的主要难题。目前，通过高通量技术手段能够获得多组分合金元素连续变化的系列均质试样或者梯度材料。然而，大多数材料的研发到后序的服役使用都必须进行后热处理，一方面是消除成形试样中的成分偏析、组织偏析、应力集中等缺陷，另一方面探索合适的热处理制度以满足不同条件下零件的服役要求。因此，面向材料基因库的建立，发展能够快速、高效地获得多组分合金元素连续变化的系列合金试样或者梯度材料的后热处理方法，是进一步加速材料研发进程的关键。加热温度和保温室时间是热处理工艺的重要参数，选择和控制加热温度和保温时间是保证热处理质量的重要问题。目前针对合金的热处理工艺一方面是通过“一对一”，即一种成分对应一种温度下的热处理工艺，显然效率很低，无法满足材料基因工程研发新材料的进程；另一方面是通过“多对一”，即多种合金成分对应同一种温度下的热处理工艺，这种热处理无法保证合金成分与温度的最优适配，显然不能满足其对应合金成分最佳的热处理温度。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种面向材料基因库建立的系列合金样同步热处理设备，其设计新颖合理，通过调控热处理模具两边加热炉的温度来建立温度与位置的关系，温度的可调节范围广，在一个模具上一次性完成多组分变化合金批量试样或梯度材料的热处理工艺，过程方便快捷，克服了传统热处理中“一对一”或者是“多对一”的热处理方法，能够一次性完成多组分合金连续变化梯度材料或者系列合金试样的高效同步热处理，便于推广使用。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：面向材料基因库建立的系列合金样同步热处理设备，其特征在于：包括第一加热炉和第二加热炉，第一加热炉的出热端和第二加热炉的出热端相对设置，且第一加热炉的出热端和第二加热炉的出热端之间设置有中空结构的隔热保温箱，隔热保温箱的中空结构形成与第一加热炉和第二加热炉均连通的
加热通道，所述加热通道的中部设置有热处理模具，热处理模具上开设有多个用于放置试样的凹槽，第一加热炉的加热温度高于第二加热炉的加热温度，所述加热通道内形成从第一加热炉的出热端向第二加热炉的出热端温度递减的温度梯度场。
6.上述的面向材料基因库建立的系列合金样同步热处理设备，其特征在于：所述加热通道为与第一加热炉和第二加热炉的出热端形状匹配的柱状结构。
7.上述的面向材料基因库建立的系列合金样同步热处理设备，其特征在于：多个所述凹槽呈阵列式排布，阵列式排布的多个所述凹槽中位于同行的凹槽的槽底中心连线与加热通道的中轴线平行，阵列式排布的多个所述凹槽中位于同列的凹槽的槽底中心连线与加热通道的中轴线垂直。
8.上述的面向材料基因库建立的系列合金样同步热处理设备，其特征在于：阵列式排布的多个所述凹槽中每一行凹槽的槽底中心均安装有k型高温热电偶。
9.上述的面向材料基因库建立的系列合金样同步热处理设备，其特征在于：还包括计算机，所述k型高温热电偶的信号输出端与所述计算机连接。
10.上述的面向材料基因库建立的系列合金样同步热处理设备，其特征在于：所述隔热保温箱为真空隔热保温箱，所述真空隔热保温箱与第一加热炉和第二加热炉密闭连接。
11.上述的面向材料基因库建立的系列合金样同步热处理设备，其特征在于：所述第一加热炉、第二加热炉和加热通道内充满惰性气体或处于真空状态。
12.同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可实现多组分变化的系列合金试样或者梯度材料的同步热处理方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
13.步骤一、根据公式计算热处理模具的温度梯度δg
t
，其中，t
max
为第一加热炉输出的加热温度，t
min
为第二加热炉输出的加热温度，s为热处理模具的总长度；
14.步骤二、根据公式ti＝t
max-δg
t
[s (i-1)δx]计算阵列式排布的多个所述凹槽中一行凹槽的第i个凹槽的理论计算温度ti，其中，i为阵列式排布的多个所述凹槽中一行凹槽的凹槽编号且i＝1,2,...,i，i为阵列式排布的多个所述凹槽中一行凹槽的凹槽总数且i不小于5，δx为相邻两个凹槽之间的距离，s为第一加热炉的出热端至一行凹槽中第1个凹槽的距离；
[0015]
步骤三、利用实际温度对对应的理论计算温度进行修正并构建每个凹槽的位置与温度的函数关系：利用每个k型高温热电偶采集阵列式排布的多个所述凹槽中位于一行的对应凹槽的实际温度，利用对应凹槽的实际温度对对应位置凹槽的理论计算温度进行修正，获取每个凹槽的温度修正系数；
[0016]
同时阵列式排布的多个所述凹槽中位于同列的凹槽在温度梯度场中温度相同，进而构建热处理模具中每个凹槽的位置与温度的函数关系；
[0017]
步骤四、多组分变化的系列合金样在热处理模具中的排布放置：采用热力学计算软件计算系列合金样的相变点温度，将多组分变化的梯度合金材料和合金成分变化大，即相变点温度超过温度差值阈值的试样沿阵列式排布的多个所述凹槽中行向不同凹槽中放置；
[0018]
将多组分变化的梯度合金材料和合金成分变化小，即相变点温度不超过温度差值阈值的试样沿阵列式排布的多个所述凹槽中列向不同凹槽中放置；
[0019]
步骤五、同步热处理设备的密闭及隔热：将放置好试样的热处理模具放入加热通道，将真空隔热保温箱与第一加热炉和第二加热炉密闭连接，并向第一加热炉、第二加热炉和加热通道内充满惰性气体或使试样处于真空状态；
[0020]
步骤六、多组分变化的系列合金样的同步热处理：根据合金多组分变化试样的温度梯度调节第一加热炉的出热端温度和第二加热炉的出热端温度，使加热通道内形成从第一加热炉的出热端向第二加热炉的出热端温度递减的温度梯度场，利用温度梯度场完成合金多组分变化系列试样或者梯度材料的同步热处理。
[0021]
上述的方法，其特征在于：所述温度差值阈值为3℃～5℃。
[0022]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0023]
1、本发明采用的设备，根据传热学原理，通过设置热处理模具两边加热炉的温度，由于整个热处理过程中试样始终处于隔绝外部热传导的密闭的空间，热处理模具上会形成热流方向沿高温区向低温区连续变化的稳定温度场，利用传热学原理建立温度与位置的函数关系，构建温度梯度场来完成连续多组分变化的合金系列试样或者梯度材料的同步热处理，便于推广使用。
[0024]
2、本发明采用的方法，步骤简单，能够面向多组分合金元素连续变化的系列合金试样或者梯度材料设计不同的热处理制度，高效快速地完成与成分相对应的后热处理，以加速材料基因计划中相关新材料的研发进程。
[0025]
3、本发明不仅能够大大节省合金多组分变化试样的热处理时间，还可以通过温度控制批量完成多组分变化的系列合金试样或者梯度材料的不同热处理温度和保温时间的最佳热处理制度工艺探索，便于推广使用。
[0026]
4、本发明采用的设备中加热炉和热处理模具可以根据实际生产要求进行不同尺寸的设计，整个热处理过程简单，操作响应快，降低了实际生产成本，可靠稳定，使用效果好。
[0027]
综上所述，本发明设计新颖合理，通过调控热处理模具两边加热炉的温度来建立温度与位置的关系，温度的可调节范围广，在一个模具上一次性完成多组分变化合金系列试样或梯度材料的热处理工艺，过程方便快捷，克服了传统热处理中“一对一”或者是“多对一”的热处理方法，能够一次性完成多组分合金连续变化批量试样或者梯度材料的同步热处理，便于推广使用。
[0028]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0029]
图1为本发明采用的设备的结构示意图。
[0030]
图2为本发明计算阵列式排布的一行凹槽的理论计算温度的原理图。
[0031]
图3为本发明方法的流程框图。
[0032]
附图标记说明:
[0033]
1—第一加热炉；
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2—第二加热炉；
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3—隔热保温箱；
[0034]
4—热处理模具；
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5—凹槽；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6—试样。
具体实施方式
[0035]
如图1所示，本发明所述的面向材料基因库建立的系列合金样同步热处理设备，包括第一加热炉1和第二加热炉2，第一加热炉1的出热端和第二加热炉2的出热端相对设置且第一加热炉1的出热端和第二加热炉2的出热端之间设置有中空结构的隔热保温箱3，隔热保温箱3的中空结构形成与第一加热炉1和第二加热炉2均连通的加热通道，所述加热通道的中部设置有热处理模具4，热处理模具4上开设有多个用于放置试样6的凹槽5，第一加热炉1的加热温度高于第二加热炉2的加热温度，所述加热通道内形成从第一加热炉1的出热端向第二加热炉2的出热端温度递减的温度梯度场。
[0036]
需要说明的是，根据传热学原理，通过设置热处理模具两边加热炉的温度，由于整个热处理过程中试样始终处于隔绝外部热传导的密闭的空间，热处理模具上会形成热流方向沿高温区向低温区连续变化的稳定温度场，利用传热学原理建立温度与位置的函数关系，构建温度场梯度来完成连续多组分变化的系列合金试样或者梯度材料的同步热处理，加热炉和热处理模具可以根据实际生产要求进行不同尺寸的设计，整个热处理过程简单，操作响应快，降低了实际生产成本，热处理模具是具有优良导热性的高温金属材料或者非金属材料，为了保证整个热处理设备内部热量分布均匀。
[0037]
本实施例中，所述加热通道为与第一加热炉1和第二加热炉2的出热端形状匹配的柱状结构。
[0038]
本实施例中，多个所述凹槽5呈阵列式排布，阵列式排布的多个所述凹槽5中位于同行的凹槽5的槽底中心连线与加热通道的中轴线平行，阵列式排布的多个所述凹槽5中位于同列的凹槽5的槽底中心连线与加热通道的中轴线垂直。
[0039]
本实施例中，阵列式排布的多个所述凹槽5中一行凹槽5的槽底中心均安装有k型高温热电偶。
[0040]
本实施例中，还包括计算机，所述k型高温热电偶的信号输出端与所述计算机连接。
[0041]
需要说明的是，将k型高温热电偶的热信号转化成一系列的数字信号，经过计算机记录并分析数据。
[0042]
本实施例中，所述隔热保温箱3为真空隔热保温箱，所述真空隔热保温箱与第一加热炉1和第二加热炉2密闭连接。
[0043]
本实施例中，所述第一加热炉1、第二加热炉2和加热通道内充满惰性气体或处于真空状态。
[0044]
需要说明的是，通过给第一加热炉1、第二加热炉2和加热通道内充满惰性气体或抽真空，以防止热处理过程中试样表面被氧化，优选的惰性气体采用氩气。
[0045]
如图3所示的面向材料基因库建立的系列合金样同步热处理方法，包括以下步骤：
[0046]
步骤一、根据公式计算热处理模具的温度梯度δg
t
，其中，t
max
为第一加热炉1输出的加热温度，t
min
为第二加热炉2输出的加热温度，s为热处理模具4的总长度；
[0047]
步骤二、根据公式ti＝t
max-δg
t
[s (i-1)δx]，计算阵列式排布的多个所述凹槽5中一行凹槽5的第i个凹槽5的理论计算温度ti，其中，i为阵列式排布的多个所述凹槽5中一
行凹槽的凹槽5的编号且i＝1,2,...,i，i为阵列式排布的多个所述凹槽5中一行凹槽的凹槽5总数且i不小于5，δx为相邻两个凹槽5之间的距离，s为第一加热炉1的出热端至一行凹槽5中第1个凹槽5的距离，如图2所示；
[0048]
步骤三、利用实际温度对对应的理论计算温度进行修正并构建每个凹槽的位置与温度的函数关系：利用每个k型高温热电偶采集阵列式排布的多个所述凹槽5中位于一行的对应凹槽5的实际温度，利用对应凹槽5的实际温度对对应位置凹槽5的理论计算温度进行修正，获取每个凹槽5的温度修正系数；
[0049]
同时阵列式排布的多个所述凹槽5中位于同列的凹槽5在温度梯度场中温度相同，进而构建热处理模具4中每个凹槽的位置与温度的函数关系；
[0050]
步骤四、多组分变化的系列合金样在热处理模具中的排布放置：采用热力学计算软件计算系列合金样的相变点温度，将相变点温度超过温度差值阈值的试样沿阵列式排布的多个所述凹槽5中行向不同凹槽5中放置；
[0051]
将相变点温度不超过温度差值阈值的试样沿阵列式排布的多个所述凹槽5中列向不同凹槽5中放置；
[0052]
步骤五、同步热处理设备的密闭及隔热：将放置好试样6的热处理模具4放入加热通道，将真空隔热保温箱与第一加热炉1和第二加热炉2密闭连接，并向第一加热炉1、第二加热炉2和加热通道内充满惰性气体或使试样6处于完全真空状态；
[0053]
步骤六、多组分变化的系列合金样的同步热处理：根据合金多组分变化试样的温度梯度调节第一加热炉1的出热端温度和第二加热炉2的出热端温度，使加热通道内形成从第一加热炉1的出热端向第二加热炉2的出热端温度递减的温度梯度场，利用温度梯度场完成合金多组分变化批量试样或者梯度材料的同步热处理。
[0054]
本实施例中，所述温度差值阈值为3℃～5℃。
[0055]
本发明使用时，方法步骤简单，通过调控热处理模具两边加热炉的温度来建立温度与位置的关系，温度的可调节范围广，在一个模具上一次性完成多组分变化合金系列试样或梯度材料的热处理工艺，过程方便快捷，克服了传统热处理中“一对一”或者是“多对一”的热处理方法，能够一次性完成多组分合金连续变化梯度材料的同步热处理，不仅能够热处理连续成分变化的梯度材料，而且通过温度控制还能批量完成多组分变化系列试样的不同热处理温度和保温时间的最佳热处理制度工艺探索，大大节省了材料基因库中系列合金的热处理时间，加速了材料基因工程中新材料的研发进程。
[0056]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。