一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法
阅读说明：本技术 一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法 (Method for measuring titanium alloy beta transition temperature by adopting vertical tube furnace ) 是由 高慧贤 李芹芹 朱静 刘伟 张理童 刘京州 李建峰 刘向宏 冯勇 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法,具体包括如下步骤：步骤1,在样品腔中布置热偶；步骤2,按照检测标准和钛合金的相变点温度,设定检测温度；步骤3,当热偶检测到样品腔内的温度达到步骤2设定的检测温度时,开始装样,并对样品进行热处理然后保温；步骤4,样品保温结束后,从上端间断金属丝,样品在下端重物块的牵引下顺利出炉,落入样品腔正下方的水槽中；步骤5,按检测标准对经步骤4处理后的样品进行制样腐蚀,并判断得到的相变点。本发明降低了样品在热处理过程中超出均匀区范围的风险,提升了实验的成功率。(The invention discloses a method for measuring the beta transition temperature of titanium alloy by adopting a vertical tube furnace, which comprises the following steps: step 1, arranging a thermocouple in a sample cavity; step 2, setting a detection temperature according to the detection standard and the temperature of the phase transformation point of the titanium alloy; step 3, when the thermocouple detects that the temperature in the sample cavity reaches the detection temperature set in the step 2, starting sample loading, carrying out heat treatment on the sample and then carrying out heat preservation; step 4, after the sample is insulated, cutting off the metal wire from the upper end, and smoothly discharging the sample out of the furnace under the traction of the heavy object block at the lower end to fall into a water tank right below the sample cavity; and 5, carrying out sample preparation corrosion on the sample treated in the step 4 according to a detection standard, and judging the obtained phase change point. The invention reduces the risk that the sample exceeds the range of the uniform area in the heat treatment process and improves the success rate of the experiment.)
技术领域
本发明属于钛合金材料性能测量技术领域，涉及一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法。
背景技术
钛合金的β转变温度(后简称“相变点”)定义为钛合金在加热过程中全部转变为β组织的最低温度。相变点的测量要求热处理炉为I类炉，炉温均匀性不大于±3℃。经调研，大部分具备该检测能力的理化实验室采用的是箱式炉或是卧式管式炉等专用相变点炉。而大部分没有专用炉的实验室，没有开展该项检测，而这些实验室大部分都拥有一定数量的持久试验机或者高温拉伸万能试验机，这些试验机都各自带有一个立式管式炉。
一般的力学高温试验机(如高温拉伸试验机、持久试验机等)带的立式管式炉通常也能够满足±3℃的要求，其炉膛较大，但是炉膛径向的均匀区较小，一般在Ф20～30mm，且从中心至炉壁有明显的温度梯度；另外，上下炉堵位置，均有过渡台阶，当直接用它做相变点热处理时，样品在出炉水淬经常会掉落在该台阶上，导致样品不能再5秒内出炉水淬，导致试验失败。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法，该方法降低了样品在热处理过程中超出均匀区范围的风险，提升了实验的成功率。
本发明所采用的技术方案是，一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法，具体包括如下步骤：
步骤1，在样品腔中布置热偶；
步骤2，按照检测标准和钛合金的相变点温度，设定检测温度；
步骤3，当热偶检测到样品腔内的温度达到步骤2设定的检测温度时，开始装样，并对样品进行热处理然后保温；
步骤4，样品保温结束后，从上端间断金属丝，样品在下端重物块的牵引下顺利出炉，落入样品腔正下方的水槽中；
步骤5，按检测标准对经步骤4处理后的样品进行制样腐蚀，并判断得到的相变点。
本发明的特点还在于，
步骤1中的样品腔采用上部带翻边且壁厚为1～3mm的耐高温石英管。
热偶的数量为三支，三支热偶***石英管布设在样品腔中。
三支热偶可分别***一根石英管中也可同时***一根石英管中。
三支热偶在石英管内的高度依次降低，高度最高的热偶与高度最低的热偶之间的高度差为150～200mm。
样品腔中还可再布置三根热偶，热偶位于距样品腔顶部高度为120～180mm的样品腔中部。
步骤3的具体过程为，将钛合金样品串在金属丝上，确定进炉深度，在金属丝上标记好位置，在金属丝的下端挂上重物块，然后将钛合金样品装入样品腔中，并保证重物位于样品腔的外部，将金属丝的上端固定。
步骤3中的热处理保温时间为30～40分钟。
步骤4中钛合金样品从出样品腔到落入水槽的时间不超过3s。
本发明的有益效果是，本发明在立式管式炉内部安装适合相变点出装炉的样品腔，经过合理的热偶布局，使得样品腔中心垂直高度上100～200mm左右的长度，能够满足温度要求；另外，与箱式炉与卧式管式炉的出炉方式不同，利用重力使得样品出炉时自由落体，快速进入水中，完成水淬，整个过程可控制在3秒左右(测量标准要求小于5秒)。
附图说明
图1是本发明一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法中样品腔的结构示意图；
图2是本发明一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法中石英管安装在样品腔内的俯视图；
图3是本发明一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法中热偶安装在样品腔中的结构示意图；
图4是本发明一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法中样品腔中放入样品的状态示意图；
图5为采用本发明一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法进行TC18钛合金试样的β转变温度测量的β转变温度附近的高倍图片；
图6为采用本发明一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法进行TC21钛合金试样的β转变温度测量的β转变温度附近的高倍图片。
图中，1.样品腔，2.石英管，3.热偶，4.金属丝，5.钛合金样品，6.重物块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法，具体包括如下步骤：
步骤1，在样品腔中布置热偶；
样品腔1的结构如图1所示，样品腔1内部尺寸设计在40mm～70mm之间(根据各实验室的力学高温试验机的立式管式炉尺寸而定)；样品腔1内上下形状一致以方便样品进出，样品腔1采用上部带翻边且壁厚为1～3mm的耐高温石英管。石英管导热快而且绝缘。石英管具有良好的导热性与透光性，可以快速地将热传导至内部；另外石英管作为一到热辐射屏，起到了很好地均温作用。
如图2、3所示，热偶3的数量为三支，三支热偶3***石英管2布设在样品腔1中。
三支热偶3可分别***一根石英管2中也可同时***一根石英管2中。
样品腔的中心处设置一根热偶(A)，另外两根热偶(B、C)分别对称设置在热偶(A)的相对两侧；
三支热偶在石英管内的高度依次降低，高度最高的热偶与高度最低的热偶之间的高度差为150～200mm，这样可以保证均匀区至少在120～180mm范围内，热偶布局见图3，通过样品腔的均温作用，样品腔内中心至腔壁的温度均匀性以及垂直高度范围内均可控制在±2℃范围内，优于标准±3℃的要求。
样品腔中还可再布置三根热偶，热偶位于距样品腔顶部高度为120～180mm的样品腔中部，上述三根热偶可检查样品腔中心至炉壁的温度均匀性。
步骤2，按照检测标准和钛合金的相变点温度，设定检测温度；
步骤3，当热偶检测到样品腔内的温度达到步骤2设定的检测温度时，开始装样，并对样品进行热处理然后保温；
步骤3的具体过程为，参见图4，将钛合金样品5串在金属丝4上，确定进炉深度，在金属丝4上标记好位置，在金属丝4的下端挂上重物块6，然后将钛合金样品5装入样品腔1中，并保证重物块6位于样品腔1的外部，将金属丝4的上端固定。金属丝4上的样品数量不超过5个。
热处理保温时间为30～40分钟。
步骤4，样品保温结束后，从上端间断金属丝，样品在下端重物块的牵引下顺利出炉，落入样品腔正下方的水槽中；
钛合金样品从出样品腔到落入水槽的时间不超过3s。
步骤5，按检测标准对经步骤4处理后的样品进行制样腐蚀，并判断得到的相变点。
实施例1
1.样品腔的设计
样品腔采用内径50mm的石英管，样品腔内部固定直径10mm石英管3根。
2.热偶布置
将三支控温热偶分别***三根石英管中，在炉子中部150mm区域内均匀布置。
3.样品出装炉设计
采用耐高温的镍铬丝固定样品，镍铬丝下端的重物块重200g；镍铬丝的上端固定悬挂；样品腔正下方放置冷却水箱。
4.测温
布置测温偶于中部150mm范围，温度均匀性测量结果满足检测标准要求的±3℃，具体数据如下表1所示：
表1
5.测量
1)装炉
用镍铬丝将牌号为TC18钛合金样品串在一起固定，确定进炉子的深度，在镍铬丝上标记好位置，下端挂上重物，保证重物块在装炉后处于炉子外部。待炉子分别从低至高升温至865℃、870℃、875℃、880℃、890℃，在每一个温度点稳定后，从炉子上部将样品装入样品腔中部位置，并将镍铬丝上端固定，在不同热处理温度点各处理一组样品。
2)热处理
按GB/T 23605标准对钛合金样品进行热处理，保温时间为30分钟；
3)出炉
试样保温结束后，从上端剪断金属丝，样品在下端重物块的牵引下顺利出炉，落入下方的水槽中，整个出炉时间2s；
4)相变点判定
对经步骤4处理后的样品进行制样腐蚀，按相变点的检测标准对样品进行相变点判定，得到的相变点温度为878℃，β转变温度附近的(870℃、875℃、880℃)高倍图片见图5。
当对牌号为TC21的钛合金试样β转变温度测量时，按照实施例1中测量部分的步骤，选择炉内温度点分布为960℃、965℃、970℃、975℃、980℃，得到的相变点温度为968℃，β转变温度附近的(960℃、965℃、970℃)高倍图片见图6。
本发明一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法的特点为，通过在立式管式炉的炉膛内加装特定材料样品腔的方式，使得炉子的均匀区可扩展至Ф50～70mm，样品腔内中心位置150～200mm垂直高度范围内，中心至样品腔壁的整个空间内均可达到±3℃，大大扩展了均匀区范围。降低样品热处理过程中超出均匀区范围的风险，提升了实验的成功率。
本发明适用于具备力学高温试验机且没有专用相变点热处理炉的理化实验开展相变点检测项目。实施本发明后可达到相变点测量的标准要求，完成相变点测量实验。
本发明一种采用立式管式炉进行钛合金β转变温度测量的方法的优点为，其一，弥补缺失专用相变点炉的理化实验室就无法开展相变点检测实验的缺陷；其二，当专用相变点炉的产能不足时，可通过利用力学高温试验机的热处理炉进行产能的拓展。