單面射流沖擊淬火參數對 7050鋁合金厚板冷卻的影響

曹盛強, 熊創(chuàng)賢,2, 鄧運來, 張新明

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

國內外航空航天等重要領域均在大量使用鋁合金中厚板制造整體構件,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。鋁合金中厚板大都采用無約束輥底淬火裝置進行淬火,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力分布都會產生影響[4]。研究[5～8]表明,沖擊射流傳熱的局部換熱系數無論從板橫向還是縱向(板的運行方向)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數進行噴射,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)對駐點區(qū)和紊流區(qū)冷卻曲線的影響,能為生產鋁合金厚板的輥底淬火工藝提供參考,同時也可為計算機模擬厚板淬火冷卻溫度場及殘余應力場所需換熱系數的加載提供參考。

1 實驗方法與過程

在箱式電阻爐內將 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區(qū)和紊流區(qū)50mm遠的心部(分別標記為TA和TB)。設置數據采樣周期為 0.2s。保溫時間達要求后,將試樣轉移到自行設計的淬火裝置中,轉移時間在 5～8s內。轉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。通過電磁流量計調節(jié)好噴水流量進行噴淋淬火。本實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,防止產生更大的上升輻射或者對流換熱的影響,其余四個側面在噴射淬火過程中用罩子蓋住,以減少水霧對板料側面換熱的影響。實驗按下表 1的參數組合試驗。

2 實驗結果與分析

2.1 駐點區(qū)與紊流區(qū)心部冷卻曲線

從圖2中可以看到,當噴嘴中軸線間距離 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雜,當冷至 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D=4.0mm和5.0mm時,在低壓50kPa下噴射,駐點區(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,當溫度降至 300～250℃時,都出現駐點區(qū)中心TA冷卻較紊流區(qū)中心TB慢,當溫度冷卻下降到 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,駐點區(qū)中心 TA冷卻較紊流區(qū)中心TB冷卻慢;當L/D在20～25以較小噴嘴直徑噴射時,發(fā)現低壓下也出現駐點區(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,這就決定了駐點區(qū)有很高的換熱系數。由駐點區(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提高。當噴嘴間距離 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)域產生反向渦對,流場互相干擾加強,使得紊流區(qū)域的換熱效果上升。而中壓200kPa下噴射,表面駐點區(qū)換熱系數在徑向分布較均勻,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。換熱系數在徑向分布可能存在的“雙峰效應”也可能會造成上述現象的出現。如文獻[11]所述,徑向換熱系數第一個峰值出現在徑向R與噴嘴直徑比值R/D=0.5處,及駐點換熱區(qū)中心位置附近,根據徑向壓力梯度分析,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,從而換熱系數急劇升高一致形成峰值;第二個峰值出現在R/D=1.9～2.0處,相應的壓力梯度為0,該處湍流度陡增,層流迅速轉變?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4.3℃/s。通過上表 2分析數據發(fā)現,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5.34℃/s。表征鋁合金表面換熱強度的指標表面換熱系數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水能在表面形成壁面射流,低壓時換熱系數在 470-300℃時差別不大,駐點區(qū)中心 TA冷卻基本一致,而紊流區(qū)中心TB因距離L較小,當噴嘴一定,L越小,相鄰射流間的渦對干擾越大,冷卻強度也就越大。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下駐點區(qū)和紊流區(qū)心部冷卻曲線 (a)駐點區(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與冷卻速率的關系

圖5為不同L/D下駐點區(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。最小冷卻速率出現在駐點區(qū)中心TA且L/D=25處,為2.5℃/s;最大冷速出現在紊流區(qū)中心TB且L/D=8.3處,冷速達5. 97℃/s。兩者在L/D=8-14間出現一個小低谷。針對駐點區(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。

出現上述規(guī)律的原因主要是當L/D越小,流過單位沖擊試樣表面上的冷卻流量越大,對駐點區(qū)內的區(qū)域冷卻換熱越強烈,相鄰射流之間的紊流也越強,相鄰渦對滲混,湍流度增強,導致相鄰射流間的中間紊流區(qū)域換熱系數提高,從而冷卻很高[13]。而L/D增加后,又出現一個小波谷,冷卻開始降低,并表現在駐點區(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,流場的互相干擾很小,單位時間內的流量也很小,對駐點區(qū)域和紊流區(qū)域的冷卻強度明顯降低所致。

圖5 不同L/D下駐點區(qū)與紊流區(qū)中心的冷卻速率 (a)駐點區(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一個波谷,而L/D=14-20間出現一個波峰。

(3)當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)冷卻強度加大。

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