本发明涉及金属成形，尤其是涉及金属管件内壁面气体对流换热系数测量装置与方法。
背景技术：
1、热气压成形技术多用于制造航空航天、汽车等高端装备领域的复杂异形薄壁管件中。对于具有复杂异形整体结构特征的零件，热气压成形技术是一种能够克服传统成形方法难题的有效手段。它可以提高材料塑性、降低成形载荷、保证成形构件整体性，并能够实现较高的成形精度。因此，热气压成形技术在这类零件的制造中具有重要的应用价值。管件热气压成形模内气体淬火工艺是一种集成了热成形和热处理的先进技术，能够缩短工艺周期，提高管件强度及尺寸精度，并实现对组织性能的精确控制。
2、在难变形薄壁金属管件的热气压成形工艺中，气体-管件界面和管件-模具界面的传热过程对成形质量和工艺效率具有重要影响。传热系数是评估传热性能的关键参数，准确测量传热系数对于优化工艺参数、提高成形质量和效率至关重要。可控换热条件下的气体淬火相较于传统水淬，具有冷却过程均匀可控、避免开裂倾向、形状畸变小等优点。因此，获得准确的气体淬火过程中的传热系数对于热气压成形工艺至关重要。
3、现有传热系数测定方法主要有：1)刚性模具与板材平面淬火法是一种热处理方法，通过利用刚性模具与板材的接触换热来计算板材与模具之间的界面传热系数。这种方法主要依赖于上下模具与板材之间的导热过程，而无法考虑到热气压成形过程中气体与单侧板材接触的传热过程。因此，通过这种方法得到的数值无法真实反映热气压成形过程中的界面换热情况。此外，该方法仅适用于二维平面的板材，无法准确反映在管件等曲面条件下的界面换热情况。2)数值模拟反求法是一种利用特定仿真软件进行传热模拟的方法。该方法的思路是通过设定传热系数的初始值，在仿真过程中与试验传热结果进行对比，并反复迭代调整传热系数的数值，以逼近试验结果。这种方法依赖于仿真软件内置的传热算法，但不同的计算软件内置算法存在较大的差异，从而难以获得准确的界面传热系数。
4、综上所述，现有的传热系数测量方法均不适用于热气压成形工艺，迫切需要一种准确测定传热系数的装置和方法，精准控制管材热气压成形后气体淬火行为，为成形仿真提供准确边界条件，调控组织性能，改善成形精度。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供金属管件内壁面气体对流换热系数测量装置与方法，能精准测定热气压成形过程中不同气体流速下气体-管件的传热系数，以及不同气体压强下管件-模具及气体的传热系数，精准调控热气压成形后气体淬火过程，提高复杂管件的尺寸精度和零件性能。
2、为实现上述目的，本发明提供了金属管件内壁面气体对流换热系数测量装置与方法，包括热气压成形工艺不同气体流速下气体-管件界面传热系数测试装置和非等温热气压成形工艺管件-模具界面传热系数测试装置；
3、所述热气压成形工艺气体-管件界面传热系数测试装置包括金属管件，所述金属管件的外侧设有隔热陶瓷，还包括测温系统、感应加热与控温系统、气体温度与流速控制系统；
4、所述非等温热气压成形工艺管件-模具界面传热系数测试装置包括控温与测温系统、电阻加热系统、模具与机械控制系统及气压控制系统。
5、优选的，所述测温系统由热电偶及多路温度记录仪组成，所述热电偶与所述金属管件直接接触，所述感应加热与控温系统包括感应加热电源、感应线圈；
6、所述气体温度与流速控制装置包括气体压缩机，所述气体压缩机的一侧连接气体流量计，所述气体流量计的一侧连接气体控温箱。
7、优选的，所述控温与测温系统包括模具控温元件和多路温度记录仪，所述模具控温元件插设在模具的上下模内部的不同位置，模具内部均匀分布有热电偶；
8、所述电阻加热系统包括电极，所述电极的上下两侧通过导线与高频电源开关连接，所述模具与机械控制系统包括合模压机，金属管件置于上下模之间，所述合模压机的台面上安装有下模，上模与所述合模压机连接并固定至合模压机滑块；
9、所述气压控制系统包括高压气源，所述高压气源与气压控制柜的输入端连接，所述气压控制柜的输出端与封闭管坯的封头之间设有气体通路。
10、热气压成形工艺气体-管件界面传热系数测定方法，包括如下步骤：
11、步骤一、利用感应加热对封装在隔热陶瓷内的金属管件进行加热，通过测温系统实时监测管件不同位置的温度；
12、步骤二、当管件上各点温度稳定时，打开气泵，使其以恒定速率充气，气体经过气体控温箱达到预定温度后，通过流量计流入金属管件内部；
13、步骤三、测量管件不同位置处的温度变化情况，并绘制温度-时间图像，将其与仿真软件中提前设定传热系数得到的温度-时间模拟图像进行比对，通过二分法对预先设定的传热系数不断逼近，直到仿真图像与实际图像吻合，此时则认为仿真软件提前设定的传热系数为实际热气压成形气体-管件传热系数。
14、优选的，步骤一中金属管件为铝合金时，管件加热温度范围为300～500℃；金属管件为碳钢管件时，其管件加热温度范围为500℃～700℃；金属管件为钛合金或高强钢时，其管件加热温度范围为700～1000℃；金属管件为高温合金时，其管件加热温度范围为800～1200℃；
15、步骤二中充入管件的惰性气体介质为氮气、氩气、氦气中的一种或两种以上，步骤二中管件充入的气体压力范围为0.1～40mpa，步骤三中热电偶共8支，各个热电偶距离相等。
16、热气压成形工艺管件-模具界面传热系数测定方法，包括如下步骤：
17、s1、控温箱连接控温元件将模具控温为t，并保温，保证模具内部各点温度均匀；
18、s2、调节高频开关电源电流输出，利用电阻加热对封装在隔热陶瓷内的金属管件进行加热，加热速率为h，通过测温系统实时监测管件不同位置的温度；
19、s3、金属管件到达预设温度并稳定后，快速合模并保压，保证充气淬火过程中管件与模具的充分接触；通过气泵调节充入金属管件中惰性气体的加压速率，达到预设压力值后，管件发生弹性变形后贴靠模具，与模具和管内气体发生热量交换；
20、s4、根据不同气体压强下不同深度处热电偶温度变化绘制温度—时间曲线，将其与仿真软件中提前设定传热系数得到的温度-时间模拟图像进行比对，通过二分法对预先设定的传热系数不断逼近，直到仿真图像与实际图像吻合，此时则认为仿真软件提前设定的传热系数为该气体压强下该深度实际管件与模具及气体之间的传热系数。
21、优选的，步骤s1中模具控温为0～500℃；
22、步骤s2中金属管件若为铝合金，管件加热温度范围为300～500℃；金属管件若为碳钢管件其加热温度范围为500℃～700℃；金属管件若为钛合金或高强钢，其管件加热温度范围为700～1000℃；金属管件若为高温合金，其管件加热温度范围为800～1200℃；
23、步骤s3中充入管件的惰性气体介质为氮气、氩气、氦气中的一种或两种以上，管件充入的气体压力范围为0.1～40mpa；
24、步骤s4中模具中热电偶共8支，各个热电偶距离相等。
25、因此，本发明采用上述金属管件内壁面气体对流换热系数测量装置与方法，传热系数测量精确度高：测量气体-管件在不同气体流速下的传热系数时，热电偶测定了不同位置处管件的温度变化；在测量管件与模具及管内气体的在不同压强下的传热系数时，热电偶测定了模具不同深度处的温度变化，与现有技术相比更严谨。
26、能量转换效率高：管件采用感应加热而非马弗炉加热并转移的传统方法，能量转换效率高，对温度控制精确，同时避免了转移过程中热量损失引起测量误差等问题。
27、气体利用率高：在测量气体-管件在不同气体流速下的传热系数时，装置左侧安装有气体收集装置，可回收利用惰性气体，更节约环保。
28、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
1.金属管件内壁面气体对流换热系数测量装置，其特征在于：包括热气压成形工艺不同气体流速下气体-管件界面传热系数测试装置和非等温热气压成形工艺管件-模具界面传热系数测试装置；
2.根据权利要求1所述的金属管件内壁面气体对流换热系数测量装置，其特征在于：所述测温系统由热电偶及多路温度记录仪组成，所述热电偶与所述金属管件直接接触，所述感应加热与控温系统包括感应加热电源、感应线圈；
3.根据权利要求1所述的金属管件内壁面气体对流换热系数测量装置，其特征在于：所述控温与测温系统包括模具控温元件和多路温度记录仪，所述模具控温元件插设在模具的上下模内部的不同位置，模具内部均匀分布有热电偶；
4.热气压成形工艺气体-管件界面传热系数测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的热气压成形工艺气体-管件界面传热系数测定方法，其特征在于：步骤一中金属管件为铝合金时，管件加热温度范围为300～500℃；金属管件为碳钢管件时，其管件加热温度范围为500℃～700℃；金属管件为钛合金或高强钢时，其管件加热温度范围为700～1000℃；金属管件为高温合金时，其管件加热温度范围为800～1200℃；
6.热气压成形工艺管件-模具界面传热系数测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的热气压成形工艺管件-模具界面传热系数测定方法，其特征在于：步骤s1中模具控温为0～500℃；
