FGH96粉末高温合金涡轮盘淬火过程界面换热系数的研究

第30卷 第1期

2010年2月

航 空 材 料 学 报

J OURNAL O F AERONAUT IC A L M ATER I ALS

V ol 130,N o 11 Feburary 2010

F GH96粉末高温合金涡轮盘淬火过程界面换热系数的研究

张家锋1

, 邹金文2

, 康进武1

, 柳百成

1

(1.清华大学机械工程系,北京100084;2.北京航空材料研究院,北京100095)

摘要:以试验方法研究了FGH 96粉末高温合金涡轮盘在空冷、风冷和油淬等条件下的表面换热行为,进而反算求解得到了界面换热系数,并将其应用到实际盘件热处理过程的数值模拟当中。结果表明,油淬条件下的界面换热系数远大于其他两种冷却方式,其最大值约为空冷换热系数最大值的10倍。现有工艺适合文中涡轮盘的热处理,淬火应力低于材料对应温度的屈服强度。

关键词:粉末高温合金涡轮盘;热处理;界面换热系数;数值模拟DO I :1013969/j 1issn 11005-505312*********

中图分类号:TG 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2010)01-0026-04

收稿日期:2008-10-10;修订日期:2009-04-20

作者简介:张家锋(1980)),男,博士研究生,(E -m a il)z hang jiafeng03@ma ils 1tsi nghua 1edu 1cn 。

涡轮盘是航空发动机中最为重要的部件之一,在其热处理过程中,为了达到较高的强度和硬度、得到细小的析出相晶粒组织,必须保证较高的冷却速度;

然而过快的冷却速度又会给零件带来较大的应力和变形,可能形成开裂、变形翘曲、高的残余应力或组织性能不均匀等问题[1,2]

,造成零件报废或者影响后续加工和使用,严重的情况下更会酿成灾难性后果。这一矛盾性要求使得涡轮盘热处理过程中冷却速度的确定尤为重要。

通过计算机模拟手段,可以对零件制造过程中在各种冷速条件下产生的应力及其演变进行模拟和预测,并分析相关工艺参数对其影响,从而指导实际生产,优化工艺。相比较于传统的试错法,数值模拟方

法的引进,将会大大缩短工期,降低成本[3]

。

本研究以试验为手段,研究了FG H 96粉末高温合金涡轮盘在空冷、风冷和油淬等条件下的表面换热行为,进而反算求解得到了界面换热系数,并将其应用到实际盘件热处理过程的数值模拟当中。

1 试验方法

目前,对于工件在淬火过程中换热机制的研究还并不成熟。虽然国内外有部分学者做了较多的工

作

[4~8]

,但工件在介质中换热系数的获取仍然只能依

靠试验来确定。对于每一种新材料而言,要想获得较为准确的换热数据,合理的试验是必不可少的。

1.1 特征面分析

图1给出了某涡轮盘盘坯的截面形貌。对于盘坯的各表面,可以按照在油淬条件下,表面气泡上浮所受到的阻碍情况进行分类。从图中可以看到,盘坯主要有五类特征面,依次为上表面、下表面、侧立面、

朝上斜侧面和朝下斜侧面。

图1 涡轮盘盘坯外形及其主要特征面F i g .1 Secti on of a disk and its character i stic s urfaces

气泡上浮所受到的阻碍情况在一定程度上决定了盘坯对应表面换热系数的大小。气泡无阻碍上浮,盘坯表面能及时与介质充分接触,换热系数大;如果气泡紧贴表面而不能马上上浮,则会将盘坯表面与介质隔绝开来,极大的降低换热效率。因此,盘坯上表面的换热系数将大于下表面换热系数;侧立面的气泡也是自由上浮,且往往由于搅拌的存在,气泡并不阻碍盘坯表面与介质的接触。一些研究工作也表明

[4,5]

,相同条件下侧立面的换热系数和上表面非常

第1期FGH 96粉末高温合金涡轮盘淬火过程界面换热系数的研究接近,在实际计算中可以认为二者一致。

在差分算法中,任何复杂的实体都会被离散成一个个小的长方体单元。依据上述分类方法,每个长方体单元只有上表面、下表面和侧立面三种特征面。因此,涡轮盘盘坯的朝上斜侧面和朝下斜侧面在差分算法中可以看做是分别被等效为上表面、侧立面的合成和下表面、侧立面的合成。

综合上述原因,盘坯的五种特征面可以被近似合并为两类,即上表面和下表面。当盘坯在空气中冷却和在油中淬火时,上表面和下表面的换热是研究的重点。值得说明的是,当盘坯处于风冷状态时,风速被认为是最重要的因素,因此在本文中将用试验来研究不同风速对应的上表面换热系数。

1.2 试验方案设计

为了研究盘件特征面的换热特征,最好的方式是各特征面/分离0开来,即在每次试验测试中仅存在一种特征面换热。为此,我们取了一个直径为160mm 、厚37mm 的FGH 96合金试验盘,将其圆周面和其中一个底面用陶瓷纤维隔热层包覆,最大限度阻隔在这两个面的热交换,近似达到单一特征面换热的要求。在隔热层外再罩以不锈钢保护套,起到保护隔热层的作用。

试验盘设计和热电偶置放的示意图如图2所示。试验盘中置放了8支K 型热电偶,等距离分布在以试验盘中心轴线为中心的直径为40mm 的圆周上。在每支热电偶的置放位置,都从试验盘的非换热底面打入盲孔,用以装置热电偶并精确定位其测温位置。TA-1,TB -1,TC -1和TD -1所测量记录的冷却曲线用来求解换热界面的传热系数,它们测量

点离换热界面的距离依次是1mm ,6mm ,11mm 和16mm 。同时为了应对上述四支热电偶在试验中部分甚至全部断掉的情况,试验设计中加入了另外四支热电偶TA-2,TB -2,TC -2和TD -2,他们的测温深度和前

四支热电偶对应一致。

图2 试验盘设计和热电偶置放示意图F ig .2 Sche ma ti c diag ra m o f the r mocouples

layout i n the sa mp l e d i sk

试验过程中,当换热面朝上放置,则所测量的换热系数即为特征面/上表面0的换热系数;反之为/下表面0的换热系数。

2 试验结果和讨论

通过传热反问题的求解

[9]

,可以从试验测量得到

的温度数据得到各种冷却方式下各特征面的换热系数,如图3

所示。

图3 各种条件下盘件表面的换热系数

F i g .3 H eat transfer coefficients under seve ra l expe ri m ent conditions (a)static air coo li ng ;

(b)o il quench i ng ;(c)f o rced a ir coo ling

从图中可以看到,空冷条件下,上、下表面的换热系数都比较小,但上表面稍大于下表面,可以理解为

下表面的热空气上浮受到盘件阻碍,进而反过来影响盘件和空气的换热。油淬条件下,上、下表面的换热

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