單面射流沖擊淬火參數(shù)對 7050鋁合金厚板冷卻的影響

曹盛強(qiáng), 熊創(chuàng)賢,2, 鄧運(yùn)來, 張新明

(1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長沙 410083;2.湖南城市學(xué)院土木工程系,湖南益陽 413000)

國內(nèi)外航空航天等重要領(lǐng)域均在大量使用鋁合金中厚板制造整體構(gòu)件,這些鋁合金往往具有淬火敏感特性,即淬火冷卻速率會影響厚板時效后的各項性能指標(biāo)。鋁合金中厚板大都采用無約束輥底淬火裝置進(jìn)行淬火,該裝置主要由上下多組集管組成,每組集管有多個圓(扁)形噴嘴,厚板淬火時采用上下集管射流沖擊冷卻方式,厚板在前行進(jìn)的過程中得到冷卻[1～3]。射流沖擊過程中,射流壓力、噴嘴大小的不同組合,對厚板的淬透層深度和殘余應(yīng)力分布都會產(chǎn)生影響[4]。研究[5～8]表明,沖擊射流傳熱的局部換熱系數(shù)無論從板橫向還是縱向(板的運(yùn)行方向)都呈非均勻的變化。盡管Paisarn Naphon和N.Buddhika等[9,10]建立了紊流模型,以不同噴射角度和 Re數(shù)進(jìn)行噴射,研究了壓力降的分布及溫度場、速率場,得到了波浪形表面與平板表面的換熱特性,但對鋁合金中厚板沖擊射流淬火傳熱規(guī)律的研究很少報道。

本工作基于7050厚板(厚100mm)研究了不同噴嘴直徑(D)、相鄰噴嘴距離(L)和噴射壓力(P)對駐點(diǎn)區(qū)和紊流區(qū)冷卻曲線的影響,能為生產(chǎn)鋁合金厚板的輥底淬火工藝提供參考,同時也可為計算機(jī)模擬厚板淬火冷卻溫度場及殘余應(yīng)力場所需換熱系數(shù)的加載提供參考。

1 實(shí)驗方法與過程

在箱式電阻爐內(nèi)將 7050鋁合金試樣(規(guī)格為250mm×200mm×100mm)加熱至470℃后開始保溫,使試樣各部位溫度均勻。K型熱電偶安裝在距駐點(diǎn)區(qū)和紊流區(qū)50mm遠(yuǎn)的心部(分別標(biāo)記為TA和TB)。設(shè)置數(shù)據(jù)采樣周期為 0.2s。保溫時間達(dá)要求后,將試樣轉(zhuǎn)移到自行設(shè)計的淬火裝置中,轉(zhuǎn)移時間在 5～8s內(nèi)。轉(zhuǎn)移到裝置上要保持試樣淬火冷卻端面中心與噴嘴中心在同一直線上,試樣噴射表面與噴嘴的射流出口端面的距離(H)為25mm。通過電磁流量計調(diào)節(jié)好噴水流量進(jìn)行噴淋淬火。本實(shí)驗淬火裝置的工作原理如圖 1所示。

試樣S1表面為射流沖擊面,S2面用絕熱板絕熱,防止產(chǎn)生更大的上升輻射或者對流換熱的影響,其余四個側(cè)面在噴射淬火過程中用罩子蓋住,以減少水霧對板料側(cè)面換熱的影響。實(shí)驗按下表 1的參數(shù)組合試驗。

2 實(shí)驗結(jié)果與分析

2.1 駐點(diǎn)區(qū)與紊流區(qū)心部冷卻曲線

從圖2中可以看到,當(dāng)噴嘴中軸線間距離 L= 50mm時,在低壓50kPa與中壓200kPa下噴射試樣,駐點(diǎn)區(qū)中心TA冷卻曲線與紊流區(qū)中心TB冷卻曲線相差不大,兩處冷卻基本一致。而在高壓 500kPa下,試樣紊流區(qū)中心 TB冷卻曲線比駐點(diǎn)區(qū)中心TA冷卻曲線要快得多,D越小,在 200-100℃間這種差異也就越大,且高壓下出現(xiàn)冷卻變緩平臺,如下圖2c中冷卻曲線⑥所示,這是因為高壓下紊流冷卻復(fù)雜,當(dāng)冷至 60～100s之間,該情況下表面紊流區(qū)換熱減緩。

圖3是噴嘴間中軸線距離L=100mm時的冷卻曲線。從圖3中可以看出,當(dāng)D=4.0mm和5.0mm時,在低壓50kPa下噴射,駐點(diǎn)區(qū)中心TA冷卻比紊流區(qū)中心TB冷卻慢;在中壓200KPa下噴射,駐點(diǎn)區(qū)中心TA冷卻與紊流區(qū)中心TB冷卻相差不大;而在高壓500kPa下,當(dāng)溫度降至 300～250℃時,都出現(xiàn)駐點(diǎn)區(qū)中心TA冷卻較紊流區(qū)中心TB慢,當(dāng)溫度冷卻下降到 100℃,差異又開始減小。

綜上所述,得到如下規(guī)律：在高壓 500kPa下噴射試樣表面,駐點(diǎn)區(qū)中心 TA冷卻較紊流區(qū)中心TB冷卻慢;當(dāng)L/D在20～25以較小噴嘴直徑噴射時,發(fā)現(xiàn)低壓下也出現(xiàn)駐點(diǎn)區(qū)中心TA冷卻較紊流區(qū)中心TB的慢;在中壓200kPa下噴射,駐點(diǎn)區(qū)中心TA冷卻與紊流區(qū)中心TB冷卻相差不大,兩處基本冷卻速率一致。以射流沖擊冷卻鋁合金板料表面時,在駐點(diǎn)區(qū)的射流邊界層厚度極薄,一般只有噴嘴直徑的千分之幾,這就決定了駐點(diǎn)區(qū)有很高的換熱系數(shù)。由駐點(diǎn)區(qū)向外發(fā)展的徑向流動(即壁面射流)是加速的,因為流動的穩(wěn)定性是非常高的,并且保持著層流的特征。如果以較高的速率噴射,就會使得層流向湍流過渡,這種過渡自然也會使得換熱系數(shù)提高。當(dāng)噴嘴間距離 L較小時,以高壓噴射試樣表面,使得相鄰射流中間即紊流區(qū)域產(chǎn)生反向渦對,流場互相干擾加強(qiáng),使得紊流區(qū)域的換熱效果上升。而中壓200kPa下噴射,表面駐點(diǎn)區(qū)換熱系數(shù)在徑向分布較均勻,在紊流處區(qū)域的干擾較小,徑向順壓梯度分布一致,使得兩處的冷卻基本一致。換熱系數(shù)在徑向分布可能存在的“雙峰效應(yīng)”也可能會造成上述現(xiàn)象的出現(xiàn)。如文獻(xiàn)[11]所述,徑向換熱系數(shù)第一個峰值出現(xiàn)在徑向R與噴嘴直徑比值R/D=0.5處,及駐點(diǎn)換熱區(qū)中心位置附近,根據(jù)徑向壓力梯度分析,在該處的表面處的徑向壓力梯度恒為 0,該處的流速加劇,邊界層減薄且該處的湍流度維持最大,從而換熱系數(shù)急劇升高一致形成峰值;第二個峰值出現(xiàn)在R/D=1.9～2.0處,相應(yīng)的壓力梯度為0,該處湍流度陡增,層流迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?引起換熱顯著增加。2次峰值只有在噴射壓力及流速很大的情況下才明顯存在,兩噴嘴間的紊流區(qū)域處的表面靜壓和噴嘴不遠(yuǎn)處存在另一個靜壓峰值,在峰值處

2.2 不同L下的冷卻比較

以L/D=10-20的D=5.0mm為例,分析在L= 50mm和L=100mm時的冷卻效果。參考7050鋁合金的淬火敏感溫度區(qū)域[12](240-420℃間)作冷至300℃的水平線,如圖 4所示。分析情況如下表 2所示。

表2 不同距離L下淬火到 300℃時心部溫度變化表Table 2 Center temperature change of queching to 300℃by differentdistance L

從表2看出,不同L對板料心部的冷卻是有影響的,在高壓、中壓及低壓下噴射,從 470℃冷至 300℃,駐點(diǎn)區(qū)中心TA冷卻所用時間最短的是L=100mm時以200kPa的噴射壓力噴射,此時冷卻至300℃所用最短時間是38.5s,冷卻速率最大可達(dá)4.3℃/s。通過上表 2分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),以高壓噴射試樣淬火,紊流區(qū)中心 TB從 470℃冷卻至 300℃所用的時間都很短,冷卻速率最大達(dá)5.34℃/s。表征鋁合金表面換熱強(qiáng)度的指標(biāo)表面換熱系數(shù)在時間及空間上分布是不均勻的,在470-300℃隨溫度(或時間)變化的表面換熱系數(shù)較100-150℃的低,換熱效果比較緩慢。研究不同 L對換熱的影響時,因噴射出噴嘴的冷卻流體介質(zhì)水能在表面形成壁面射流,低壓時換熱系數(shù)在 470-300℃時差別不大,駐點(diǎn)區(qū)中心 TA冷卻基本一致,而紊流區(qū)中心TB因距離L較小,當(dāng)噴嘴一定,L越小,相鄰射流間的渦對干擾越大,冷卻強(qiáng)度也就越大。從表 2中比較三種壓力下噴射淬火,也說明并不是壓力越大,冷卻效果就越好。

圖4 D=5.0mm下駐點(diǎn)區(qū)和紊流區(qū)心部冷卻曲線 (a)駐點(diǎn)區(qū)中心TA冷卻曲線;(b)紊流區(qū)中心TB冷卻曲線Fig.4 The cooling curves in the stagnation and turbulent of the center of samples by D=5.0mm

2.3 L/D與冷卻速率的關(guān)系

圖5為不同L/D下駐點(diǎn)區(qū)和紊流區(qū)中心冷卻從470-300℃平均冷卻速率的比較圖。從圖5a,b中可以看到,隨 L/D增大,試樣駐點(diǎn)區(qū)中心TA和紊流區(qū)中心TB冷卻速率都是隨著 L/D增大而先減小,后增大,再減小的規(guī)律。最小冷卻速率出現(xiàn)在駐點(diǎn)區(qū)中心TA且L/D=25處,為2.5℃/s;最大冷速出現(xiàn)在紊流區(qū)中心TB且L/D=8.3處,冷速達(dá)5. 97℃/s。兩者在L/D=8-14間出現(xiàn)一個小低谷。針對駐點(diǎn)區(qū)中心TA冷卻,從圖5a中可以看出,并不是壓力越大冷卻速率就會越大,當(dāng)從 470℃冷至 300℃時,在L/D=8-14間高壓500kPa下的平均冷卻速率與低壓50kPa下的相差不大,均為3.4℃/s左右。

出現(xiàn)上述規(guī)律的原因主要是當(dāng)L/D越小,流過單位沖擊試樣表面上的冷卻流量越大,對駐點(diǎn)區(qū)內(nèi)的區(qū)域冷卻換熱越強(qiáng)烈,相鄰射流之間的紊流也越強(qiáng),相鄰渦對滲混,湍流度增強(qiáng),導(dǎo)致相鄰射流間的中間紊流區(qū)域換熱系數(shù)提高,從而冷卻很高[13]。而L/D增加后,又出現(xiàn)一個小波谷,冷卻開始降低,并表現(xiàn)在駐點(diǎn)區(qū) A處高壓與低壓的冷速一致,此時主要是壓力起到的影響降低。在L/D=20～25時,冷卻速率降低,主要是噴嘴直徑較小,而噴嘴間距離較大,也就是相鄰射流距離較遠(yuǎn),流場的互相干擾很小,單位時間內(nèi)的流量也很小,對駐點(diǎn)區(qū)域和紊流區(qū)域的冷卻強(qiáng)度明顯降低所致。

圖5 不同L/D下駐點(diǎn)區(qū)與紊流區(qū)中心的冷卻速率 (a)駐點(diǎn)區(qū)中心TA冷卻速率;(b)紊流區(qū)中心TB冷卻速率Fig.5 The rate of cooling in the stagnation and turbulent of the center of samples by different L/D

3 結(jié)論

(1)在 3個噴嘴同時向上噴射的條件下,研究了 7050鋁合金厚板噴淋淬火冷卻,在高壓(500kPa)下,駐點(diǎn)區(qū)心部TA冷卻比紊流區(qū)心部TB冷卻慢;在中壓200kPa下噴射,TA和TB處冷卻基本一致。

(2)從470℃冷至 300℃的平均冷卻速率(dT/ dt)隨著 L/D的增大,呈先減小,后增大,再減小的規(guī)律;在L/D=8-14間平均冷卻速率出現(xiàn)一個波谷,而L/D=14-20間出現(xiàn)一個波峰。

(3)當(dāng)D和P一定,L對厚板冷卻有影響,L越小,相鄰渦對互相干擾越大,紊流區(qū)冷卻強(qiáng)度加大。

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