一种梯度结构材料多温度热处理装置及方法与流程

本发明属于梯度结构材料热处理技术领域，特别是涉及一种梯度结构材料多温度热处理装置及方法。

背景技术：

功能梯度材料(简称FGM)，是指材料的组成和结构沿梯度方向由一侧向另一侧连续地变化，并使材料的功能和性质也呈现梯度变化的一种新型功能性材料，而梯度结构材料就属于一种功能梯度材料，如图1所示。

目前，梯度结构材料的制备方式包括粉末冶金法、等离子喷涂法、气相沉积法、自蔓延燃烧高温合成法及激光增材制造法等，以激光增材制造法制备梯度结构材料为例，能够使梯度结构材料的两侧不同金属材料实现无缝连接且均匀过渡，并且中间过渡区的材料组成、结构、功能及性质都呈现梯度变化，进而使梯度结构材料具有良好的综合性能。

但是，由于激光增材制造过程中存在高局部热量输入及快速熔凝的特性，会造成梯度结构材料内应力过大的问题，因此需要对梯度结构材料进行适当的热处理，以去除内应力，同时实现组织结构的优化，并最终改善梯度结构材料的力学性能。

现阶段还没有一种专门用于梯度结构材料的热处理设备，而现有的热处理设备只能满足梯度结构材料的单一温度区间热处理，但由于梯度结构材料的两侧材料不同，且不同材料的热处理温度区间也存在差异，若将梯度结构材料在单一温度区间整体进行热处理，会出现梯度结构材料的力学性能无法达标的情况。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种梯度结构材料多温度热处理装置及方法，能够满足梯度结构材料不同区域在不同温度区间下进行热处理，使梯度结构材料的力学性能顺利达标。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种梯度结构材料多温度热处理装置，包括箱体、第一电感线圈、第二电感线圈、第三电感线圈、第一感应电源、第二感应电源、第三感应电源及温度控制器；所述箱体用于放置梯度结构材料，所述第一电感线圈缠绕在梯度结构材料的左侧材料区上，第一电感线圈与第一感应电源相连接；所述第二电感线圈缠绕在梯度结构材料的右侧材料区上，第二电感线圈与第二感应电源相连接；所述第三电感线圈缠绕在梯度结构材料的中间过渡区上，第三电感线圈与第三感应电源相连接；所述第一感应电源、第二感应电源及第三感应电源同时与温度控制器相连接。

在所述梯度结构材料的左侧材料区外侧均布设有若干第一环状冷却喷气管，在梯度结构材料的右侧材料区外侧均布设有若干第二环状冷却喷气管，在梯度结构材料的中间过渡区外侧均布设有若干第三环状冷却喷气管，在所述第一环状冷却喷气管、第二环状冷却喷气管及第三环状冷却喷气管的内侧沿圆周方向开设有若干喷气孔，第一环状冷却喷气管、第二环状冷却喷气管及第三环状冷却喷气管同时通过一个冷却控制器与惰性气体源相连通，所述冷却控制器与温度控制器相连接。

在所述梯度结构材料的左侧材料区所对应的箱体上设置有第一温度传感器，在梯度结构材料的右侧材料区所对应的箱体上设置有第二温度传感器，在梯度结构材料的中间过渡区所对应的箱体上设置有第三温度传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器及第三温度传感器同时连接在一个温度监控器上，所述温度监控器与温度控制器相连接。

所述第三电感线圈的疏密程度按照中间过渡区的梯度温度要求进行设定。

在所述梯度结构材料的左侧材料区及右侧材料区套装有均温套筒。

一种梯度结构材料多温度热处理方法，采用了所述的梯度结构材料多温度热处理装置，包括如下步骤：

步骤一：将缠绕有第一电感线圈、第二电感线圈及第三电感线圈的梯度结构材料放置到箱体内，然后关闭箱体的密封门；

步骤二：先对箱体内部进行抽真空，然后通过第一环状冷却喷气管、第二环状冷却喷气管或第三环状冷却喷气管向箱体充入惰性气体；

步骤三：启动第一感应电源、第二感应电源及第三感应电源，通过第一电感线圈、第二电感线圈及第三电感线圈分别对梯度结构材料的左侧材料区、右侧材料区及中间过渡区进行加热；

步骤四：通过第一温度传感器、第二温度传感器及第三温度传感器分别对左侧材料区、右侧材料区及中间过渡区进行实时温度测量，温度数据实时显示在温度监控器上，并通过温度监控器对加热温度进行实时监控，通过温度控制器调整第一感应电源、第二感应电源及第三感应电源的电流值，直到左侧材料区、右侧材料区及中间过渡区各自达到设定温度，同时对加热保温时间进行设定；

步骤五：当加热保温时间结束后，关闭第一感应电源、第二感应电源及第三感应电源，再对梯度结构材料实施冷却，直到冷却结束，梯度结构材料多温度热处理完成。

通过温度控制器调整第一感应电源、第二感应电源及第三感应电源的持续通电时长，对左侧材料区、右侧材料区及中间过渡区的加热保温时间进行控制。

梯度结构材料的冷却方式分为空冷、炉冷及急冷；当需要进行空冷时，只需开启箱体的密封门即可；当需要进行炉冷时，只需维持箱体密封门的关闭状态即可；当需要进行急冷时，只需启动冷却控制器，通过第一环状冷却喷气管、第二环状冷却喷气管及第三环状冷却喷气管分别向左侧材料区、右侧材料区及中间过渡区喷吹惰性气体即可。

本发明的有益效果：

本发明与传统热处理设备相比，有效克服了传统热处理设备只能对梯度结构材料在单一温度区间整体进行热处理的缺陷，有效满足了梯度结构材料不同区域在不同温度区间下进行热处理，使梯度结构材料的力学性能顺利达标。

附图说明

图1为梯度结构材料示意图；

图2为本发明的一种梯度结构材料多温度热处理装置结构示意图；

图中，A—左侧材料区，B—右侧材料区，C—中间过渡区，1—箱体，2—第一电感线圈，3—第二电感线圈，4—第三电感线圈，5—第一感应电源，6—第二感应电源，7—第三感应电源，8—温度控制器，9—第一环状冷却喷气管，10—第二环状冷却喷气管，11—第三环状冷却喷气管，12—冷却控制器，13—惰性气体源，14—第一温度传感器，15—第二温度传感器，16—第三温度传感器，17—温度监控器，18—密封门，19—通气口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种梯度结构材料多温度热处理装置，包括箱体1、第一电感线圈2、第二电感线圈3、第三电感线圈4、第一感应电源5、第二感应电源6、第三感应电源7及温度控制器8；所述箱体1用于放置梯度结构材料，所述第一电感线圈2缠绕在梯度结构材料的左侧材料区A上，第一电感线圈2与第一感应电源5相连接；所述第二电感线圈3缠绕在梯度结构材料的右侧材料区B上，第二电感线圈3与第二感应电源6相连接；所述第三电感线圈4缠绕在梯度结构材料的中间过渡区C上，第三电感线圈4与第三感应电源7相连接；所述第一感应电源5、第二感应电源6及第三感应电源7同时与温度控制器8相连接。

在所述梯度结构材料的左侧材料区A外侧均布设有若干第一环状冷却喷气管9，在梯度结构材料的右侧材料区B外侧均布设有若干第二环状冷却喷气管10，在梯度结构材料的中间过渡区C外侧均布设有若干第三环状冷却喷气管11，在所述第一环状冷却喷气管9、第二环状冷却喷气管10及第三环状冷却喷气管11的内侧沿圆周方向开设有若干喷气孔，第一环状冷却喷气管9、第二环状冷却喷气管10及第三环状冷却喷气管11同时通过一个冷却控制器12与惰性气体源13相连通，所述冷却控制器12与温度控制器8相连接。

在所述梯度结构材料的左侧材料区A所对应的箱体1上设置有第一温度传感器14，在梯度结构材料的右侧材料区B所对应的箱体1上设置有第二温度传感器15，在梯度结构材料的中间过渡区C所对应的箱体1上设置有第三温度传感器16，所述第一温度传感器14、第二温度传感器15及第三温度传感器16同时连接在一个温度监控器17上，所述温度监控器17与温度控制器8相连接。

所述第三电感线圈4的疏密程度按照中间过渡区C的梯度温度要求进行设定。

在所述梯度结构材料的左侧材料区A及右侧材料区B套装有均温套筒18。本实施例中，均温套筒18为铜质套筒，当第一电感线圈2和第二电感线圈3分别对左侧材料区A及右侧材料区B进行加热时，铜质套筒被首先加热，然后通过被加热的铜质套筒间接对左侧材料区A及右侧材料区B进行加热，可进一步保证左侧材料区A及右侧材料区B加热后的温度均匀性。

一种梯度结构材料多温度热处理方法，采用了所述的梯度结构材料多温度热处理装置，包括如下步骤：

步骤一：将缠绕有第一电感线圈2、第二电感线圈3及第三电感线圈4的梯度结构材料放置到箱体1内，然后关闭箱体1的密封门18；

步骤二：先通过箱体1上的通气口19对箱体1内部进行抽真空，然后通过第一环状冷却喷气管9、第二环状冷却喷气管10或第三环状冷却喷气管11向箱体1充入惰性气体；

步骤三：启动第一感应电源5、第二感应电源6及第三感应电源7，通过第一电感线圈2、第二电感线圈3及第三电感线圈4分别对梯度结构材料的左侧材料区A、右侧材料区B及中间过渡区C进行加热；

步骤四：通过第一温度传感器14、第二温度传感器15及第三温度传感器16对加热区进行实时温度测量，温度数据实时显示在温度监控器17上，并通过温度监控器17对加热温度进行实时监控，通过温度控制器8调整第一感应电源5、第二感应电源6及第三感应电源7的电流值，直到左侧材料区A、右侧材料区B及中间过渡区C各自达到设定温度，同时对加热保温时间进行设定；

步骤五：当加热保温时间结束后，关闭第一感应电源5、第二感应电源6及第三感应电源7，再对梯度结构材料实施冷却，直到冷却结束，梯度结构材料多温度热处理完成。

通过温度控制器8调整第一感应电源5、第二感应电源6及第三感应电源7的持续通电时长，对左侧材料区A、右侧材料区B及中间过渡区C的加热保温时间进行控制。

梯度结构材料的冷却方式分为空冷、炉冷及急冷；当需要进行空冷时，只需开启箱体1的密封门18即可；当需要进行炉冷时，只需维持箱体1密封门18的关闭状态即可；当需要进行急冷时，只需启动冷却控制器12，通过第一环状冷却喷气管9、第二环状冷却喷气管10及第三环状冷却喷气管11分别向左侧材料区A、右侧材料区B及中间过渡区C喷吹惰性气体即可。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。