[發明專利]一種石英燈與激光復合式復雜曲面加熱裝置與方法

在審

• 申請號: 202011497482.8
• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112501393A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 范學領;楊晶晶;李東旭;蔣昊南;馬鵬蔚;劉林川;晉小超;侯成
• 申請（專利權）人: 西安交通大學;中國航發四川燃氣渦輪研究院
• 主分類號: C21D1/09
• 分類號: C21D1/09;C21D9/00;C21D11/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發明公開了一種石英燈與激光復合式復雜曲面加熱裝置與方法。通過其加熱方式能實現如航空發動機葉片等微小曲面的復雜熱場加載任務，具體效果為在加熱表面上的較小距離10mm內實現300℃以上的溫度差、整體葉片1000℃以上的整體溫度。本發明提供的加熱方式的主要實現方法是，通過石英燈對受熱工件進行熱加載，并通過調節不同位置處的石英燈功率來形成基礎的溫度熱場。對于局部溫度梯度較高的區域，通過激光器對所述局部進行照射加熱，實現表面上高溫駐點進行高溫加熱任務。本發明能夠完成型如航空發動機高壓渦輪葉片等小型高溫大溫度梯度的試驗件的高溫復雜溫度場建立，局部極高精確溫度梯度的建立任務。

技術領域

本發明屬于石英燈加熱技術領域，具體涉及一種石英燈與激光復合式復雜曲面加熱裝置與方法。

背景技術

葉片是先進燃氣輪機、航空發動機發展任務中最關鍵的一環。燃氣輪機葉片與航空發動機葉片的試驗對葉片的設計、分析、檢驗具有極其重要的意義。先進燃氣輪機、航空發動機的葉片服役溫度具有加熱區域小、極限溫度高、熱場分布復雜的特點。因此如何實現在較小的區域10mm內實現超過100℃的熱場溫度。

葉片通常會采用電阻式加熱、石英燈輻射式加熱進行熱考核的任務。石英燈輻照加熱的方式為，通過充有鹵素氣體的石英燈燈管內部的發熱鎢絲，對試件進行紅外輻射，使得工件表面溫度上升。同時在使用過程中，當石英燈溫度超過1000℃時，石英表面會產生軟化鼓泡的現象，因此會采用各類燈管的主動冷卻技術。受制于石英燈輻照加熱方式與電阻加熱方式的極限功率影響，對于葉片局部高溫駐點、熱場梯度的精確實現具有較大難度。紅寶石激光加熱技術恰好具有較小加熱區域內較高加熱溫度實現可行性。

激光加熱，具有可高速加熱、高速冷卻的特性。在激光淬火工藝過程種，還可以進行局部選擇性淬火。通過對激光多光斑尺寸的控制，能適合其它熱處理方法無法勝任的管孔、深溝、微區、夾角和刀具刃口等局部區域的硬化的熱處理工藝；激光可以遠距離傳送，能實現一臺激光器多工作臺同時使用，且能通過計算機編程完成加熱的自動控制。

隨著大功率CO2激光器的發展，激光加熱被廣泛應用在各種形式的表面處理中。美國通用汽車公司用十幾臺千瓦級CO2激光器，對轉向器殼內壁局部硬化，日產3萬套，提高工效四倍。激光熱處理就的實施方式為，利用高功率密度的激光束對金屬進行表面處理的方法，對材料實現相變硬化、表面合金化等表面改性處理，產生用其它表面淬火達不到的表面成分、組織、性能的改變。

發明內容

本發明的目的在于提供一種石英燈與激光復合式復雜曲面加熱裝置與方法，通過使用石英燈與CO₂激光加熱器共同組合的加熱方式具有重要的實現可行性。通過發明內容，完成型如航空發動機高壓渦輪葉片等小型高溫大溫度梯度的試驗件的高溫復雜溫度場建立，局部極高精確溫度梯度的建立任務。

本發明采用如下技術方案來實現的：

一種石英燈與激光復合式復雜曲面加熱裝置，包括機架，固定在機架上的工件梯臺和石英燈燈架，固定在石英燈燈架上的石英燈組、CO₂激光管固定支架，固定在激光管固定支架上的CO₂激光加熱管，一端與CO₂激光管發射端連接的激光通道，以及與激光通道另一端連接的聚焦激光頭，且聚焦激光頭朝向機架設置。

本發明進一步的改進在于，機架上加工有上機架冷卻流道和下機架冷卻流道，上機架冷卻流道上開設有上進水口和上出水口，下機架冷卻流道上開設有下進水口和下出水口。

本發明進一步的改進在于，工件梯臺為一個凸臺，其上裝有固定裝置。

本發明進一步的改進在于，石英燈燈架固定在機架上的水平滑道上，能夠左右移動。

本發明進一步的改進在于，CO₂激光加熱管包括激光光束管，設置在激光光束管外側的水冷通道，以及與激光光束管連接的外接電源，水冷通道上開設有進水口和出水口，使得冷卻液從進水口進入，從出水口流出。