本發(fā)明涉及鎂合金應(yīng)用，具體為一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、一般航空航天用大型復(fù)雜鎂合金高端構(gòu)件(如鎂合金艙段、機(jī)匣等)均采用樹脂砂型反重力鑄造的方法成形，樹脂砂型尺寸精度高，以保證鑄件形狀和尺寸精度；反重力鑄造充型過程平穩(wěn)可控，且在壓力驅(qū)動(dòng)下補(bǔ)縮，可以有效避免二次氧化夾渣、減少凝固缺陷，近年來隨著航空航天輕量化要求不斷提高，越來越多的高端復(fù)雜鎂合金鑄件需要采用樹脂砂差壓鑄造工藝才能滿足其冶金質(zhì)量與性能要求。

2、但是傳統(tǒng)反重力鑄造澆注溫度較高，樹脂砂型的粘結(jié)劑在金屬液的高溫烘烤作用下發(fā)生熱分解，釋放出氧化性氣體產(chǎn)物與鎂合金熔體反應(yīng)，時(shí)常造成鎂合金鑄件在凝固過程中燃燒甚至爆炸，而在差壓鑄造過程中鎂合金熔體在正壓條件下凝固成形，進(jìn)一步增大了燃燒和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。如果直接采用差壓鑄造設(shè)備進(jìn)行鎂合金鑄件的起燃研究和生產(chǎn)試制，不但試錯(cuò)成本高，而且十分危險(xiǎn)。為此，本發(fā)明提出了一種研究鎂合金熔體在樹脂砂差壓鑄造過程中起燃過程的研究裝置以降低上述現(xiàn)象的發(fā)生概率。

3、此外，鎂合金起燃與其表面的氧化層的內(nèi)應(yīng)力有關(guān)，隨著氧化過程的進(jìn)行，氧化層內(nèi)應(yīng)力增大，當(dāng)該應(yīng)力值超過氧化層抗拉強(qiáng)度后，表面氧化層破裂，熔體中迅速逸出大量鎂蒸氣，導(dǎo)致發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，放出大量熱量引發(fā)燃燒。氧化層應(yīng)力破裂是導(dǎo)致鎂合金起燃的直接原因，但是氧化層破裂的臨界應(yīng)力值尚無法直接測(cè)量。本發(fā)明在監(jiān)測(cè)外界氧化條件對(duì)熔體起燃過程的影響，同步在線監(jiān)測(cè)熔體表面氧化層的應(yīng)力變化，進(jìn)而可以明確不同條件下氧化層破裂起燃的臨界應(yīng)力值和起燃條件，為定量表征鎂合金起燃過程提供支撐。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種差壓鑄造鎂合金起燃過程的氧化層應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)裝置及其使用方法，通過控制裝置內(nèi)的氣氛和溫度條件，模擬不同工藝條件下熔體在差壓鑄造鑄型內(nèi)的氧化與燃燒行為，預(yù)測(cè)鑄件燃燒風(fēng)險(xiǎn)，并獲得阻燃的氣氛條件和溫度條件，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)裝置及方法，包括：

3、控溫爐，所述控溫爐包括下爐、上爐，所述下爐的內(nèi)部設(shè)置有熔化室，所述上爐的內(nèi)部設(shè)置有反應(yīng)室，所述上爐的頂部設(shè)置有爐蓋；

4、連接孔，所述連接孔開設(shè)于控溫爐內(nèi)部，用于連通熔化室、反應(yīng)室；

5、金屬管，所述金屬管貫穿設(shè)置于連接孔、爐蓋，所述金屬管表面開設(shè)有第一定位孔、第二定位孔，所述上爐爐蓋的頂部設(shè)置有定位銷，所述金屬管的底部連接設(shè)置有樣品坩堝，所述金屬管的頂部固定連接有提拉柄；

6、第一熱電偶、第二熱電偶，設(shè)置于金屬管的內(nèi)部，所述第一熱電偶、第二熱電偶的上端均電連接有溫度采集模塊；

7、壓力表、觀察窗，均設(shè)置于爐蓋的頂部；

8、氣體干燥部、控制計(jì)算機(jī)、氣瓶、氣體流量控制柜；

9、所述熔化室的兩側(cè)內(nèi)壁上分別貫穿設(shè)置有第一進(jìn)氣管、第一排氣管，所述反應(yīng)室的兩側(cè)內(nèi)壁上分別貫穿設(shè)置有第二進(jìn)氣管、第二排氣管。

10、本發(fā)明進(jìn)一步說明，所述第一熱電偶、第二熱電偶分別用于檢測(cè)樣品的表面和近表面上方1mm附近溫度。

11、本發(fā)明進(jìn)一步說明，所述定位銷用于與第一定位孔、第二定位孔配合定位，所述金屬管內(nèi)部呈中空結(jié)構(gòu)設(shè)置。

12、本發(fā)明進(jìn)一步說明，所述述第一進(jìn)氣管上設(shè)置有第一進(jìn)氣閥，所述第一排氣管上設(shè)置有第一排氣閥，所述第二進(jìn)氣管上設(shè)置有第二進(jìn)氣閥，所述第二排氣管上設(shè)置有第二排氣閥，所述反應(yīng)室內(nèi)靠近連接孔處設(shè)置有單向閥門。

13、本發(fā)明進(jìn)一步說明，所述氣瓶通過氣體流量控制柜與氣體干燥部相連通，所述第一進(jìn)氣管、第二進(jìn)氣管位于控溫爐外部的一端與氣體干燥部相連接，所述氣體干燥部用于對(duì)氣體進(jìn)行干燥，所述控制計(jì)算機(jī)參數(shù)化調(diào)整氣體流量控制柜中的流量，實(shí)現(xiàn)熔化室和反應(yīng)室的氣氛吹掃、熔化過程氣體保護(hù)、以及反應(yīng)過程中的氣體成分和壓力控制。

14、本發(fā)明進(jìn)一步說明，氣瓶通過氣體流量控制柜與氣體干燥部相連通，所述第一進(jìn)氣管、第二進(jìn)氣管位于控溫爐外部的一端與氣體干燥部相連接，所述氣體干燥部用于對(duì)氣體進(jìn)行干燥，所述控制計(jì)算機(jī)參數(shù)化調(diào)整氣體流量控制柜中的流量，實(shí)現(xiàn)熔化室和反應(yīng)室的氣氛吹掃、熔化過程氣體保護(hù)、以及反應(yīng)過程中的氣體成分和壓力控制。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：

16、(1)以往只能通過x射線衍射分析sin2ψ法，拉曼光譜等分析檢測(cè)手段，檢測(cè)室溫下氧化層的殘余應(yīng)力，但是隨著溫度改變，氧化層的應(yīng)力狀態(tài)也在不斷變化，且氧化層破裂起燃后，應(yīng)力釋放，室溫狀態(tài)下的殘余應(yīng)力無法反應(yīng)氧化層破裂的臨界應(yīng)力值。目前尚無法實(shí)時(shí)在線檢測(cè)鎂合金起燃過程中的氧化層的應(yīng)力變化，本發(fā)明為定量表征起燃過程中的氧化層應(yīng)力及其破裂臨界值提供測(cè)量裝置和方法。

17、(2)可以精確預(yù)測(cè)差壓鑄造過程鑄件是否燃燒，采用差壓鑄造試制實(shí)驗(yàn)來判斷鑄件燃燒性有很高的危險(xiǎn)性且經(jīng)濟(jì)成本巨大，而且實(shí)際差壓鑄造過程中，如型腔內(nèi)的氣氛壓力、成分、熔體溫度、凝固降溫速率等，與燃燒相關(guān)的參數(shù)是相互影響的，因此無法通過在實(shí)際鑄造過程中控制變量來研究單一因素對(duì)燃燒的影響，目前還沒有方法能夠?qū)Σ顗鸿T造過程的燃燒進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；本發(fā)明采用物理模擬方法可以實(shí)現(xiàn)單一變量的精確控制，而且實(shí)驗(yàn)成本低、安全可靠，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鑄造過程是否起燃，并可以為阻燃工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)；

18、(3)氣體壓力和成分可控，可以檢測(cè)氣氛壓力、氣氛成分對(duì)燃燒的影響，進(jìn)而反應(yīng)差壓鑄造的保壓壓力和鑄造過程保護(hù)氣對(duì)燃燒的影響；

19、(4)采用模擬型腔氣氛進(jìn)行氧化起燃分析實(shí)驗(yàn)，避免砂型對(duì)鎂合金表面污染，并且可以直接觀察鎂合金表面由氧化到燃燒的過程，而且，氧化后的樣品可用于其他分析檢測(cè)方法進(jìn)一步表征，揭示不同條件下的起燃機(jī)理，分析檢測(cè)方法如掃描電鏡、透射電鏡、x射線光電子能譜等；

20、(5)現(xiàn)有鎂合金燃點(diǎn)的檢測(cè)主要采用火焰點(diǎn)燃和升溫加熱兩種方式，但是這兩種方式都與鑄件凝固過程的燃燒有很大差別。為此，本發(fā)明首次實(shí)現(xiàn)凝固降溫過程的燃燒檢測(cè)，并且可以通過精確控制降溫速率來反應(yīng)鑄件的結(jié)構(gòu)和壁厚對(duì)燃燒性的影響，為鑄造工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)。

技術(shù)特征：

1.一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)裝置，其特征在于：包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)裝置，其特征在于：所述第一熱電偶(11)、第二熱電偶(12)分別用于檢測(cè)樣品的表面和近表面上方1mm附近溫度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)裝置，其特征在于：所述定位銷(21)用于與第一定位孔(5)、第二定位孔(9)配合定位，所述金屬管(23)內(nèi)部呈中空結(jié)構(gòu)設(shè)置。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)裝置，其特征在于：所述第一進(jìn)氣管(13)上設(shè)置有第一進(jìn)氣閥(15)，所述第一排氣管(2)上設(shè)置有第一排氣閥(3)，所述第二進(jìn)氣管(17)上設(shè)置有第二進(jìn)氣閥(19)，所述第二排氣管(6)上設(shè)置有第二排氣閥(7)，所述反應(yīng)室(4)內(nèi)靠近連接孔處設(shè)置有單向閥門(16)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)裝置，其特征在于：所述氣瓶(25)通過氣體流量控制柜(26)與氣體干燥部(18)相連通，所述第一進(jìn)氣管(13)、第二進(jìn)氣管(17)位于控溫爐外部的一端與氣體干燥部(18)相連接，所述氣體干燥部(18)用于對(duì)氣體進(jìn)行干燥，所述控制計(jì)算機(jī)(27)參數(shù)化調(diào)整氣體流量控制柜(26)中的流量，實(shí)現(xiàn)熔化室(1)和反應(yīng)室(4)的氣氛吹掃、熔化過程氣體保護(hù)、以及反應(yīng)過程中的氣體成分和壓力控制。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)裝置，其特征在于：采用所述第一熱電偶(11)、第二熱電偶(12)實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)樣品的表面和近表面的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)溫度，并在所述控制計(jì)算機(jī)(27)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示溫度曲線，同時(shí)可以通過所述反應(yīng)室(4)上的觀察窗(8)直接觀察樣品表面氧化情況，結(jié)合溫度曲線和樣品表面情況，當(dāng)燃燒時(shí)會(huì)有閃光，判斷樣品是否起燃。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)裝置，其特征在于：當(dāng)定位銷(21)與第一定位孔(5)配合時(shí)，樣品坩堝(14)上升到測(cè)量位置，此時(shí)氧化層應(yīng)力檢測(cè)模塊(20)的測(cè)量接觸頭(20-1)與熔體表面氧化層(14-2)接觸并形成一定粘結(jié)強(qiáng)度，隨著熔體凝固過程進(jìn)行，表面氧化層形成內(nèi)應(yīng)力發(fā)生形變，帶動(dòng)與運(yùn)動(dòng)測(cè)量桿(20-2)相連的彈性微桿(20-5)做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由微信扭矩傳感器(20-4)測(cè)得扭矩信號(hào)，傳遞給計(jì)算機(jī)。

8.一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)方法，基于權(quán)利要求6所述的一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)裝置所實(shí)施的，其特征在于：方法如下：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)方法，其特征在于：預(yù)設(shè)鎂合金澆鑄溫度設(shè)置為680℃至800℃之間任一值。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)方法，其特征在于：冷卻速度設(shè)置為0.1℃/s至2℃/s之間任一值。

11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)方法，其特征在于：在步驟四中保持第二排氣閥(7)關(guān)閉，設(shè)置反應(yīng)室壓力，由壓力表(22)實(shí)時(shí)顯示，該壓力值設(shè)置為0至1mpa之間任一值，同時(shí)記錄壓力變化。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種差壓鑄造鎂合金氧化層應(yīng)力在線檢測(cè)裝置及方法，涉及鎂合金應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，包括應(yīng)力信號(hào)采集模塊、控溫爐、連接孔、金屬管、第一熱電偶、第二熱電偶、壓力表、觀察窗，所述應(yīng)力信號(hào)采集模塊包括固定測(cè)量桿、運(yùn)動(dòng)測(cè)量桿，所述固定測(cè)量桿和運(yùn)動(dòng)測(cè)量桿的測(cè)量端上均設(shè)置有氧化層接觸頭，所述測(cè)量端上的氧化層接觸頭與熔體表面氧化層接觸，所述運(yùn)動(dòng)測(cè)量桿一端設(shè)置微型扭矩傳感器，所述控溫爐包括下爐、上爐，該裝置能夠模擬不同工藝條件下熔體在差壓鑄造鑄型內(nèi)的氧化與燃燒行為，同步在線監(jiān)測(cè)凝固過程中熔體表面氧化層的應(yīng)力狀態(tài)獲得熔體起燃的表面氧化層臨界應(yīng)力條件，以及阻燃的氣氛條件和溫度條件。

技術(shù)研發(fā)人員：趙信毅,肖遙,魏自航,張海洋,劉滿平,曹福洋,寧志良,孫劍飛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9