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Armfield-C15計算機控制風洞

描述 C15-10是一款可進行水平操作的小型風洞。氣流通過風洞出料端的變速風扇進入工作段。入口處有一個蜂窩整流器9.4:1的壓縮比可確保氣流順利進入工作段。工作區由透明的丙烯酸塑膠材質構成，可清楚地觀察模型，工作段的側壁和頂部有適當的模板連接點。工作段的特點是整個底座可移動，這樣可插入大的或復合式的模板，例如C15-24伯努利儀器。用戶可自行構建C15-25邊界層板或其它模板?；A風洞配有USB接口，以便于計算機（不提供）操控。一個電子壓力傳感器安裝在工作段內壁，可測量靜壓力，同時可計算氣流速度，并顯示在計算機上。壓力計需和可選項模板及儀器一同使用。有兩種選擇，一個13管水柱壓力計或一個16通道電子壓力計。風洞操作軟件帶有電子壓力計讀數和數據記錄功能。水柱壓力計的讀數是完整的并可被記錄，但是需要手動輸入計算機?？蛇x項模型安裝在一個圓形艙口里（直徑為120mm），模型永久性位于艙口蓋上以便封閉開口（沖洗工作段內壁以免干擾流動）。工作段側壁上的快速斷路夾具對模板有防護功能。艙口配有必要的角尺，可使模板按照已知角度進行手動旋轉。平整透明的丙烯酸塑料蓋可用于沒有模板的地方，這種做法通常用于給用戶增加可選擇的模板。第二個小一點的艙口位于模板安裝位置后面，可使供選擇的伴流量耙（C15-15）安裝在不同備選模塊的下游。在配備此可選項之后才可安裝平整的裝貨口蓋。工作段標有簡單的操作說明以便于觀察任何一個可選項模板周圍的流動形象化。模板周圍的水流輪廓伴有輕質細繩用于顯示會發生邊界層分離（脫離）現象的地點。細繩的長度可進行簡單的調整，其垂直和水平位置也很容易更改。工作段頂部有三個抽頭，每個抽頭都帶有一個塞子栓，用以沖洗內壁，可置入流動形象化系統或皮托靜態管（配件C15-14）。這些抽頭位于工作段的前端，模板安裝位置的上游和下游。附件和測量儀器C15-11斜管壓力計13個傾斜度為30°的透明管可測量細小的壓力差別（0–160 mm H2O）。設備包括一個帶有螺旋取代劑的蓄水池，螺旋取代劑可快速調節壓力計中的基準液面，并且設備還帶有一個快速斷電連接器以便快速連接到模板和儀器。水可作為安全便捷的壓力計液體。C15-12電子壓力計配備有16個不同的壓力傳感器，每個傳感器的測量范圍在0-178 mm H2O。（利用另一個USB端口連接到控制計算機，風洞控制軟件帶有讀數功能）。普通抽頭可使所有傳感器將大氣壓力作為參考標準?？焖贁嚯娺B接器可快速連接到模板和儀器。C15-13升阻天枰（需要C15-20或C15-22）配有兩個部件的電子天枰用于測量合適模板的升降（不和帶有多個內攻絲點的模板一同使用）。通過簡單的安裝可將升阻模板連接到天枰，以確保模板的正確方向。電子傳感器用于測量升阻力，阻力可直接測量，升力通過減少模塊重量來測量。測試中的模塊可在設備上旋轉，可對旋轉角度進行電子測量。升阻傳感器和旋轉傳感器的讀數顯示在計算機的控制軟件屏幕上，數據可被記錄。平衡器適用于C15-20或C15-22，然而也適用于用戶創建的備選模板。C15-14皮托靜止管（需要C15-11或C15-12）一個小的皮托靜止管位于套筒內，套筒安裝在工作段的頂部的三個不同位置。比方說工作段的前端，模板安裝位置的上游和下游。套筒可使皮托管垂直貫穿整個工作段，以便測量風洞內的速度變化。皮托靜止管的繞性管路配有兩個快速斷電連接器。面朝正面的孔測量總壓強，面朝側面的孔測量靜壓強。讀數間的差別用于計算氣流速度。提供的皮托靜止管設計經典，帶有一個可生成電子管系數的橢圓形突出物，可作為皮托管的統一體，末端的傾角/偏離對讀數并不是非常敏感。C15-15半流測量耙（需要C15-11或C15-12）該耙含有10個縱向排列的管，它們指向氣流。耙安裝在使用模板的下游。管子安裝在5mm固定高度處，配件可被替換成2.5mm,通過兩臺設備間的讀數可測量2.5mm間距。管子通過撓性管路連接到多路快速斷路連接器。模板（可選項）C15-20升阻翼面（要求C15-13）用于NACA0015剖面平整的對稱翼面。配備的裝配桿可使其安裝在C15-13升阻天枰上，因此可測量機翼在不同襲擊角度下的升阻力。因為C15-21可直接將上升參數同壓力分布進行對比，所以翼面有相同的部段。C15-21壓力翼（需要C15-11或C15-12）對稱機翼有10個分接點，沿著翼型的一邊分布，可測量機翼前緣到機翼后緣的壓力分布。通過傾斜機翼的正迎角和負迎角可獲得較高面和較低面的壓力分布。用于NACA0015翼型的裝置，由于C15-20可將壓力分布與上升特性進行直接對比，因此機翼有相同的部段。分接點與表面是齊平的，通過撓性管路連接到多路快速斷路連接器。C15-22阻力模型（需要C15-13）七個不同的模型可與C15-13升阻平衡器一同使用，用于研究模型形狀對阻力的影響。五個模型有著50mm的相同赤道直徑，因此對氣流會產生相同的橫截面：-球面形-氣流半球面，凸面-氣流半球面，凹面-圓盤形-流線形另外，凹面高爾夫球平面球有著相同的直徑，用于演示由于凹陷產生的不同的阻力。一個備用的載體棒用于校正阻力，或用于安裝在用戶自創的其它模型上。C15-23壓力缸（需要C15-11或C15-12）一個簡單汽缸，直徑為30mm,配有10個平均分布的分接點，分布在氣缸的一邊，可測量氣缸周圍的壓力分布。氣缸可進行180°旋轉，以便繪制氣缸周圍的壓力分布圖。分接點與表面是齊平的，通過撓性管路連接到多路快速斷路連接器C15-24伯努利裝置（需要C15-11或C15-12）文氏管通過移動平板安裝于管道工作段內。文氏管平板上配有11個壓力抽頭，通過撓性管路連接到多路快速斷路連接器。文氏管的高度與整個工作段高度一樣，入口處寬度為150mm(工作段全寬),狹道處寬度變為100mm.其材質為可視性極好的透明丙烯酸塑膠。C15-24用于展示橫靜力壓如何隨橫截面的變化，然而，在同皮托靜壓管（C15-14）一起使用時，可全面演示伯努利方程。C15-25邊界層板（需要C15-11或C15-12）一個帶有傾斜翼型前緣的平板，通過移動平板垂直安裝于工作段內部。一個平的皮托管安裝在橫向測微計上，可測量位于平板表面不同距離處的氣流速度。平板可依據皮托管進行移動，以便測量平板機翼前緣和機翼后緣之間任何位置的速度分布圖。一個光滑的平板和人工粗糙平板可展示層狀邊界層和擾動邊界層之間的差別。皮托管的撓性管路配有快速斷路連接器。用戶通過一系列組件可對備選模板進行組建。包括一個底板，一個環形開口和一系列帶有合適撓性管路的快速斷開連接器。軟件功能為C15-10提供的全套教育軟件可用于可選項儀器和模型。軟件用于控制風洞，包括控制風扇上的開關和控制速度，以及展示和記錄所有的數據。這些設備包含在一個模擬圖控制屏內，控制屏顯示儀器繪制的圖形，電子傳感器值，傳感器計算值（例如風扇速度，升力等等），可手動輸入和記錄諸如水柱壓力計類儀器的測量值。設備還包含功能強大，靈活的數據記錄和圖表繪制儀器，配套有傳感器校準設備和數據顯示和數據輸出選項。設備還提供顯示屏，可從整體上了解軟件，設備，程序以及相關理論。精細的”Help”設備支持顯示器，可深入引導用戶并生成背景材料。軟件提供大量預先制定好的學生練習題，每道題都配有特定的模擬圖和詳細的指導輔助說明。這些精挑細選的，預先制定好的方法利用不同的備選模版和儀器，用于向用戶介紹氣流和空氣動力學原理。練習是精心設計的，利用恰當的儀器可對不同的模型進行評估。涉及到在沒有儀器進行完整分析，只有壓力計，升阻平衡器，皮托管的情況下進行簡單流動形象化研究。另外，為了其極好的靈活性，軟件包含有用戶構造的“工程工作”，可用于擴展研究或使用用戶自己的模板。普通軟件界面包括軟件CD上的單個驅動器，需要利用軟件，通過USB接口連接C15-10。這樣可讓用戶編寫自己的軟件，無需使用Armfield提供的軟件。這個軟件可寫入很多不同的系統。最具代表性的有LabView, MatLab, ‘C’, ‘C++’, Visual Basic, Delphi 和其它可使用外部驅動器的軟件環境。在完全熟悉其它設備或者軟件與其它設備兼容的情況下，用戶可通過編寫軟件來滿足其特殊需求。分類說明• 用于高校教學用的小型計算機控制的風洞• 透明的丙烯酸工作段（150mm x 150mm x 455mm）具備良好的可視性• 變極器控制的AC風扇可將氣流速度精確控制在34m/s• 大量可選項模板和測量儀器• 模板和壓力計之間的多路或單路快速斷路連接器• 模板位于工作段的內壁，配有快速斷路風鉤• 具有配套的數據記錄和教學軟件• 電子監視器可進行遠程操作• 工作段的移動底座可插入大的或復合式的模型• 包含流動形象化演示設備• 氣流研究儀可選項包括伯努利儀器特征/性能計算機控制氣流 150 (理論上6” )立方毫米工作段可視性極好的透明工作段大量用于研究空氣動力學和氣流的模型可選擇的水或者電子壓力計壓力計軟管上的快速短路連接器和快速斷路連接件以便于改變模型配有簡單的流動形象化技巧說明說明 C15-10>方形測試區，理論上150 x 150mm，長455mm>工作段的氣流速度變化范圍為0-34m/s（提示：部分模型僅在低速情況下使用）>測面入口收縮比為9.4:1（理論上）C15-11>管長320mm>傾斜角30°>測量范圍0-160 mm H2OC15-12>16道0-178 mm H2O（有差異）C15-13>模型升力3.4N>模型阻力3.4N>傾斜角+/- 45°C15-20>翼型NACA0015>線長61.5mm>厚度9.2mmC15-22>赤道直徑：大模型50mm高爾夫球和小球43mmC15-23>氣缸直徑40mm>抽頭間距20°C15-24>窄道處寬100mm>上游下游寬150mm要求/必備設備用戶必須通過USB接口連接到計算機，并運行Windows。使用備選C15-12時，需要另一個USB接口。根據使用的模型而定需要C15-11，C15-12，或C15-13（詳見模型描述）電源要求C15-10-A: 220-240V/1/段, 50Hz, 10AmpsC15-10-B: 110-120V/1/段, 60Hz, 20AmpsC15-10-G: 220-240V/1/段, 60Hz, 10Amps運輸參數體積：1.5m3總重：220kg外觀尺寸C15-10高：0.700m寬：2.250m高：0.460m

歐美大地儀器設備中國有限公司 2021-12-17

合金化阻燃鎂合金的產業化

合金化阻燃鎂合金的產業化一、項目簡介鎂合金是目前最輕的金屬結構材料，其密度大約在1.75～1.85g/cm3之間，僅相當于鋁的2/3，鋼的1/4。同時鎂合金還具有比強度和比剛度高、導熱導電性好、阻尼減震、電磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等優點，在汽車、電子通信、航空航天和國防軍事等領域具有極其重要的應用價值和廣闊的應用前景，被譽為“21世紀綠色工程材料”。但是鎂合金由于自身化學活性很強，而且氧化后不能形成致密的氧化膜。鎂合金在高溫熔煉和加工成形過程中容易氧化燃燒，從而限制了鎂合金的發展前景。因而有必要尋找一種經濟、實用、無污染的鎂和金熔煉保護方法以防止鎂合金生產過程中的氧化燃燒問題。目前較為成熟的鎂合金阻燃方法有熔劑保護法和氣體保護法。然而，對于熔劑保護法而言，在熔劑的使用過程中會產生大量有刺激性氣味的氣體（如HCl、Cl2），給環境造成危害；且容易產生熔劑夾雜，損害合金的機械性能和耐腐蝕性能。氣體保護法通常是通入一定量的SF6和CO2的混合氣體，使用過程中產生SO2、SF4等有毒氣體，甚至會產生劇毒氣體S2F10，造成環境污染，且SF6和CO2能長期滯留在大氣中，產生巨大的溫室效應。另外氣體保護法還需要有復雜的混氣裝置和密封裝置，而且從熔煉到澆鑄也需要復雜的輸送設備，因而加大了一定的成本。針對熔劑保護法和氣體保護法帶來的問題，20世紀50年代人們提出了合金化阻燃的想法，其主要原理在于向鎂合金中添加適量的低氧位合金元素（即其與氧的親和力大于鎂與氧的親和力），使其在熔煉、澆注過程中自動生成致密的復合氧化膜，從而阻止鎂合金的進一步氧化燃燒。本課題正是基于此思想，希望通過向鎂合金中添加某些合金元素，使得鎂合金獲得優良的阻燃性能，同時不降低其力學性能。然而合金熔體表面氧化膜結構的改變必然同時改變了熔體表面張力的大小，因而可以通過研究表面張力大小對氧化膜結構改變的影響，進而找到合金元素含量、阻燃性能和表面張力之間的定量關系，從而使本課題所得結果能夠指導實際生產。合金化阻燃法將大大降低設備及工藝的復雜程度，同時也不會對環境造成嚴重污染，具有較強的實用價值及巨大的發展潛力。二、項目技術成熟程度本課題組長期從事合金化阻燃鎂合金材料及其相關加工工藝方面的研究，目前已經建了一系列鎂合金相關的研究方法和性能檢測方法。研究的基體不僅包括工業純鎂，也包括商業應用最為廣泛的AZ91D，添加阻燃元素包括Ca和不同含量的Re元素。現已經取得以下研究成果：2.1 鎂合金起燃溫度測試系統的建立2.1.1 概述鎂合金起燃溫度的準確測試是研究阻燃鎂合金過程中的關鍵一步，也是本課題的一個難點。傳統的測試方法有觀察法和溫度記錄儀法。觀察法就是在敞開的爐中加熱試樣，當觀察到試驗燃燒時讀取電爐溫度控制器的溫度并記錄，作為試樣的燃點溫度。此方法簡單易行，但是測試的結果受人為因素影響較大，誤差較大。溫度記錄儀法就是利用熱電偶作為溫度傳感器，使用溫度記錄儀記錄溫度時間曲線。鎂及其合金燃燒時放出的熱量會使溫度升高的速率發生急劇變化，從而使溫度-時間曲線發生拐點，此拐點處溫度即為燃點溫度。近年來隨著計算機技術的飛速發展，出現了基于數據采集技術的燃點測試方法。這類方法也是利用了鎂及其合金燃燒時釋放的熱量使爐內溫度上升速率加快的現象。基于數據采集技術的燃點測試方法可把所采集的溫度時間曲線保存起來待日后分析，燃點溫度的確定可通過軟件編程自動識別。本課題自行開發了基于數據采集技術的鎂及鎂合金燃點測試分析系統。鎂合金起燃溫度測試系統從功能上可分為硬件部分和軟件部分，硬件部分主要完成溫度的傳感、信號的調理及數據采集；軟件部分主要完成溫度的實時顯示、實驗數據的存儲、實驗數據的回放分析等功能。2.1.2 硬件構成及功能本課題所建立的鎂合金起燃溫度測試系統的硬件組成主要由坩堝式電阻爐、TCW-32B型溫度控制器、數據采集卡以及電腦組成，其組成結構見圖1所示。該電阻爐與溫度控制器具有節能、可編程控制以及加熱速度可調等優點。溫度傳感器采用K型熱電偶。由于溫度采集的采樣率不需要很高，因此數據采集卡采用了研華USB-4718型，該數據采集卡為8路熱電偶輸入，支持USB2.0，無需外部電源，與筆記本電腦可構成便攜式測試系統；該卡還具有3000VDC隔離保護，支持4~20mA，能夠對熱電偶信號進行內部調理，無需外加調理電路，降低系統的成本及開發時間。其中一支熱電偶接入溫度控制器對電阻爐進行控溫，然后再接入數據采集卡；另一支熱電偶用來測試試驗樣品的溫度，因而直接接入數據采集卡。數據采集卡將這兩路溫度信號通過USB接口傳送到電腦進行記錄并顯示。坩堝式電阻爐的結構如圖1所示，在電爐底部開有通風孔，盛放試樣的物品應采用帶孔的結構或者石棉網，以保證良好的供氧條件。1.坩堝式電阻爐；2.耐火磚墊；3.坩堝；4.試樣；5．熱電偶；6.溫度控制器；7.數據采集卡；8.電腦圖1 鎂合金燃點測試裝置示意圖2.1.3 軟件功能及關鍵技術鎂合金起燃溫度測試系統軟件部分是利用LabVIEW8.5開發的，其界面見圖2。該軟件界面從功能上可大致分為三個區域：實驗參數設置區、實驗參數動態顯示區和軟件功能控制區。實驗參數設置區可對實驗采用的熱電偶類型、數據采集卡的通道、實驗名稱、實驗數據保存路徑以及采樣率等參數進行設置。實驗參數動態顯示區可實現對所采集的兩路溫度的直觀動態顯示以及溫度—時間曲線的動態顯示。軟件功能控制區可完成對實驗進度的控制，如數據采集的開始與結束、界面的刷新、溫度曲線的回放顯示以及系統的退出等功能。圖2 鎂合金起燃溫度測試系統軟件界面軟件與硬件的通訊是通過調用研華提供的底層驅動函數實現的，一個通道的數據傳輸程序框圖見圖3。由于該數據采集卡不支持8路信號的并行通信，也就是說數據采集卡的8路輸入信號的讀取要按順序循環讀取，所以要想實現多路溫度信號的傳輸，必須在軟件上來完成。本文是通過調用順序結構的方法來實現對兩通道數據的順序讀取的。圖3 數據傳輸程序框圖為了能夠對實驗數據進行事后分析，軟件要提供對所采集的數據的存儲功能，存儲的數據一定要和相應的實驗名稱結合起來，以防止實驗數據混淆。本軟件是通過對實驗數據進行命名與計算機自動生成名稱相結合的方法來避免數據的混淆。也就是說，對每個實驗進行命名后，由于每個實驗不一定只做一個實驗數據，因此系統會自動生成一個以精確到秒的時間字符串做為實驗名的后一部分，如“mg1.2ca-1熔體溫度20100531204001.bin”。實驗數據在存儲時同時被存儲為二進制格式和文本格式，路徑及文件名生成以及數據存儲的的程序框圖如圖4所示。圖4 數據存儲程序示意圖由于軟件在數據采集過程中顯示區域顯示的是動態過程，所以無法看到所采集的數據全貌，因此軟件提供了對所采集的實驗數據的回放顯示功能，既可顯示一條曲線，也可同時顯示多條曲線進行對比分析，此功能是通過調用子VI（Virtual Instruments的簡寫，即虛擬儀器）的方式實現的。通過按下主界面的“單曲線顯示”或“多曲線顯示”即可調出一個新的顯示窗口。多曲線顯示的曲線條數可以輸入。多曲線顯示的界面及程序框圖見圖5。為了軟件使用過程中的方便，提供了界面刷新功能，按下“界面刷新”后軟件界面可恢復到默認狀態?？紤]到每次測燃點溫度時實驗名稱或者數據存儲的路徑可能會相同，所以建立了“實驗名稱”和“存儲路徑”兩個全局變量，同時建立了一個配置文檔。每次軟件更改實驗名稱或存儲路徑時，都要修改全局變量的值，軟件退出時，要把最后的實驗名稱和存儲路徑存到配置文檔中，當再一次打開運行軟件時，要打開配置文檔讀取實驗名稱和存儲路徑的信息作為軟件界面的默認值。 (a) 程序框圖 (b) 程序界面圖5 多曲線顯示為了使軟件運行的更流暢、使用更方便，軟件中還應用了很多容錯技術。容錯技術包括軟件的自檢和硬件自檢兩部分。軟件自檢包括檢查輸入的存儲路徑是否正確、實驗名稱是否為空等，以保證數據存儲的可靠性。硬件自檢主要是在點擊“開始采集”按鈕后，檢測數據采集卡工作是否正常，如果數據采集卡異常，軟件會報警并返回到初始狀態，避免了由于數據采集卡異常導致的死機。2.1.4 系統測試及起燃溫度的確定將電阻爐加熱至500℃左右，再將塊狀鎂合金放入帶孔的坩堝，然后將其置入電阻爐中，并使測量鎂合金溫度的熱電偶與塊狀鎂合金接觸，使電路按固定加熱速率進行加熱，并開始數據采集。數據采集過程的界面見圖2，經測試，軟硬件各項功能正常。所采集的溫度-時間曲線如圖6所示。鎂合金在開始燃燒瞬間，放出大量的熱量使溫度急劇上升，會在溫度-時間曲線上出現一個拐點。本課題中，將溫度-時間上的第一個拐點所對應的溫度值定義為燃點。圖6 典型溫度-時間采集曲線2.1.5 小結（1）本章建立了鎂合金起燃溫度測試硬件系統，該系統由坩堝式電阻爐、溫度控制器、熱電偶、研華USB-4718型數據采集卡及電腦組成，所建立的硬件系統成本低、結構簡單、測試系統便攜。（2）本章開發了鎂合金起燃溫度測試軟件系統，該軟件采用LabVIEW8.5開發，具有數據采集、數據動態顯示、實驗數據存儲、數據回放分析等功能。軟件界面友好，操作簡單，容錯性強。（3）本章對所建立的鎂合金起燃溫度測試系統軟硬件進行了測試，測試結果表明，所建立的測試系統各項功能正常，能夠很好的完成對鎂合金起燃溫度的測試，并給出了確定起燃溫度的方法。2.2 鎂合金熔體表面張力裝置的建立2.2.1 概述我們通常將物體表面單位長度上作用的力稱作表面張力，單位為N/m，而且通常我們所說的表面張力指的是液相與氣相接觸面上的表面張力。在液態金屬或者合金與氣體組成的體系中，與氣體接觸的液體表面層原子處于不平衡力場中，即與表面層原子接觸的液體中的原子與表面層原子距離較小，且數目量多，因此作用力較大；而與表面層原子接觸的氣體中的原子與表面層原子距離較大，且數量少，因此作用力較小。這樣就產生了方向垂直于液體表面，指向液體內部的力，如圖7所示。該力使液體表面有如一彈性膜所包圍，傾向減少其表面，因此產生了表面張力。表面張力的大小不但與液體本身的性質有關，而且與它相接觸的相的性質有關。圖7 熔體表面原子模型表面張力是液態合金重要的物性參數，它不僅是研究界面反應動力學的基礎，而且在金屬凝固過程和鑄造合金參數的預測中起著重要作用，因此，研究液態合金熔體表面張力具有重要理論價值和實際意義。在阻燃鎂合金的研究領域，特別是在阻燃鎂合金的熔煉與制備過程中，合金液在高溫下的急劇擴散與在凝固過程中晶粒的形成，尤其是晶體在長大時，稀土元素會富集在相界上，在液態下有表面聚集的趨勢,元素的擴散必然會對熔體的表面張力和氧化膜結構產生影響，因而我們可以通過研究稀土阻燃鎂合金熔體特性特別是在不同狀態下熔體表面張力的變化對氧化膜結構改變的影響規律，進而找到表面張力與阻燃性能之間的對應關系。2.2.2 表面張力的測量方法表面張力的測量方法有很多，總體上可分為動態法和靜態法兩類。動態法是以測量決定某一過程特征的數值來計算表面張力，主要有毛細管波法和振蕩射流法。通常在溶液表面張力隨時間變化變化較快時需要用動態法測量，如用振蕩射流法測定的時間變化可以小到1ms左右。在現階段，動態法測量表面張力還不完善，測量誤差較大，因而，實際應用很少。主要的方法有毛細管上升法、懸滴法、滴重法、最大氣泡法、拉筒法、液滴外形法和電磁懸浮法等。常溫或低于200℃下的液體表面張力測量方法較多。但是，多于液態金屬、爐渣、熔鹽等高溫熔體，增加了測量的難度和復雜程度，應用于高溫熔體表面張力的測量方法主要有最大氣泡法、電磁懸浮法、拉筒法和靜滴法?？紤]到試驗的測量精度和設備的復雜程度，本課題采用最大氣泡法測量鎂合金熔體表面張力。最大氣泡法Simon于1851年提出，后由Canter、Jaeger分別從理論和實用角度加以發展。實驗步驟是，將一毛細管插入待測液體內部，再向管中緩慢通入惰性氣體，隨著吹入氣體壓力的增大，氣泡逐漸長大，當氣泡恰好是半球時，氣泡內的壓力達到最大值，此時通過測量氣泡壓力，計算得到液體的表面張力值。2.2.3 表面張力的測量裝置本課題采用“最大氣泡壓力法”測定鎂合金熔體表面張力，實驗裝置如圖8所示：圖2.4 最大氣泡壓力法測試表面張力裝置簡圖Fig. 2.6 BMP Surface tension testing schematic圖8 最大氣泡法測量熔體表面張力裝置1.氬氣瓶2.壓力表 3.大量程浮子流量計 4.穩壓計 5.針型閥 6.微調針型閥 7.干燥瓶 8.小量程浮子流量計 9.U形壓力計 10.溫度控制儀 11.毛細石英管 12.熱電偶 13.石墨坩堝 14.鎂合金熔 15.坩堝電阻爐16.升降機構 17.大量程百分表氬氣經過減壓計，穩壓計，通入裝有氯化鈣的干燥瓶中進行干燥，再由三通器分成兩路，一路連接到U形壓力計（U形管所盛液體為水），另一路經細的石英管通入鎂合金熔體。由小到大緩慢調節氬氣氣壓，并通過針型閥控制氣體流量大小（將氣體流量控制在18-20毫升/分以內），觀察U形管內兩邊液注高度差H。試驗采用的毛細石英管內半徑r=2.86mm，符合精度要求。毛細管端口經過拋光、清洗處理，以排除雜質和端口缺陷對測量結果的影響。實驗中，通過升降機構可控制毛細管的上升和下降，當毛細管插入合金液后，隨著氬氣的緩緩通入，管內液體被排出管外，會在管口處形成氣泡并不斷長大（圖9）。氣泡在成長過程中，其內部壓力P與液體靜壓力及液體表面張力的合力保持動態平衡，直至這種平衡被破壞，氣泡會脫離管口而浮出液面。此過程，H值也將呈現出由小到大的變化趨勢，設氣泡內的壓力為P，則：P+PM=PH （1）其中，PM為鎂合金熔體在深度為h處形成的壓強，PH為U形管內兩邊液注差所形成的壓強。圖9 氣泡形成過程根據表面張力的物理意義，在液體中若有一半徑為r的球形氣泡，液體表面張力的作用造成了指向氣泡內部的壓力P（圖10）。圖10球形氣泡氣泡的表面積為：S =4πr2球形氣泡的體積為：V =4πr3/3若將球的體積增大dV，則必須克服阻力P對它做功：ΔW =PdV，而這一所做的功將轉變為表面積增大后的表面自由能增量：ΔE =σdS（σ為表面張力）。由于ΔW =ΔE，即PdV =σdS而dV =4πr2dr，dS =8πrdr，因而可推導出：P =2σ/r （2）PM為鎂合金熔體在深度為h處形成的壓強，即PM =ρMgh，ρM為鎂合金熔體的密度，為便于計算我們以Mg-Al合金的液態密度代替；PH為U形管內兩邊液注差所形成的壓強，即PH =ρwgH,ρw為水的密度。所以，由式（1）、（2）可以得到，當H達到最大值Hmax時， 2σ/r +ρMgh =ρwgH （3）所以，表面張力σ為：σ=(ρwgHmax-ρMgh)?r/2 （4）用最大氣泡法測量鎂合金熔體表面張力的具體步驟為：1．采用電阻爐、坩堝在一定溫度下對合金進行熔煉，待完全熔煉后攪拌一段時間，除去表面雜質，再保溫10分鐘；2．通過調整升降機構，使毛細管下降到恰好接觸合金熔體表面，此時調整百分表托架，使百分表的芯端部與升降機構水平臂平面接觸，將刻度盤對零，下降升降機構，使毛細管插入合金液表面之下，記錄毛細管下降的精確深度h；3．固定好這一高度打開爐蓋與氬氣瓶壓閥，并通過針型閥控制氣體流量大?。▽怏w流量控制在18-20毫升/分以內），此時U形管兩側開始出現壓差，當熔體內部能夠穩定、緩慢的產生氣泡時，觀察U形兩側壓差值將由小到大變化，到達一最大值后（即氣泡成為半球形，此時半徑最小等于石英管內半徑r時），U形管兩端壓差突然減?。ㄒ驗闅馀萜屏眩?，記錄下U形管左右兩端的最大液面差值H；4．帶入公式中進行計算便可得到熔體的表面張力。2.2.4 小結（1）本章建立了鎂合金熔體表面張力測量裝置，該裝置主要由氬氣瓶、壓力表、浮子流量計、穩壓計、針型閥、干燥瓶、U形壓力計、毛細石英管、升降機構和百分表組成。（2）本課題對所建立的鎂合金熔體表面張力測量裝置進行了測試，測試結果表明，所建立的測量裝置各項功能正常，能夠很好的完成對鎂合金熔體表面張力的測量，并給出了熔體表面張力的測量方法。三、技術指標通過本次研究必須到達以下要求：①研制成一種或多種阻燃鎂合金可以在大氣下不加任何保護措施條件下，熔煉而不發生燃燒現象；②研制成的阻燃鎂合金成分通過壓鑄、熱處理工藝過后所制成的成品，其結構的力學性能必須達到相應的要求；③通過本次研究結果，發表1項發明專利和1項實用新型專利。四、市場前景鎂及鎂合金既可以鑄造成各種鑄件或壓鑄件，也可以采用各種塑形加工方法加工成不同品種、規格、性能和用途的管、棒、型、線、帶、箔材以及鍛件等，然后經切削加工、冷沖壓、接合成形和表面處理等深加工成各種零件和結構件。與其他結構材料相比，鎂及其合金具有一系列的優點，如密度低、比強度和比剛度高、阻尼減振降噪能力強、電磁屏蔽性能優異、抗輻射、液態成型性能優越、切削加工和熱成型性能好、易于回收等，符合“21世紀綠色結構材料”的要求，越來越受到人們的青瞇。今年來，鎂材在汽車、摩托車等交通工具、計算機、通信、家電、電子電器、冶金、航空航天、國防軍工等部門獲得了廣泛的應用。隨著鎂合金提煉及加工技術的發展，以及成本的下降，鎂材已成為工業應用的重要金屬材料，在全球范圍內得到快速發展。1. 鎂合金材料在汽車工業上的開發與應用自1970年中東石油危機以來，為減輕汽車質量，以降低油耗和污染，提高安全性能，鎂合金材料在汽車工業中的應用與日俱增。目前，汽車工業中鎂合金用量較多的地區和國家主要是北美、歐洲、日本和韓國。綜合部分廠家的使用情況，目前鎂合金材料主要用來制造以下汽車零部件：①車內構件：儀表盤、座椅架、座位升降器、操縱臺架、氣囊外罩、轉向柱支架、收音機外殼、小工具箱門、車窗馬達罩、剎車與離合器踏板托架、氣動托架踏板等；②車體構件：門框、尾板、車頂框、車頂板、IP橫梁；③發動機及傳動系統：閥蓋、凸輪蓋、四輪驅動變速箱體、手動換擋變速器、離合器外殼活塞、進氣管、機油盤、交流電機支架、變速器殼體、齒輪箱殼體、油過濾器接頭、馬達罩、氣缸頭罩、分配盤支架、油泵殼、油箱、濾油器支架、左側半曲軸箱、空機罩、左抽氣管等。④底盤：輪轂、引擎托架、前后吊桿、尾盤支架。美國福特、通用、克萊斯勒三家公司在每輛汽車上使用的鎂合金鑄件分別達到30個、45個和20個；瑞典推出的沃爾沃CP20C0車型全重700kg，使用50kg鎂合金，包括輪轂、合器箱、轉向齒箱、后懸臂、發動機架、進氣歧管、氣缸體等部件；本田轎車一部分零件采用鎂合金材料后，重量大大減輕。最近，Magers分析了汽車市場的鎂合金需求趨勢，預測鎂合金材料在汽車工業的應用將會不斷增加。2. 鎂材在軌道交通工具上的應用前景在列車和其他軌道交通工具上使用鎂材，目的是減輕重量，減小噪音和震動，規整零部件和防止塑料老化，提高使用壽命等。主要應用實例：儀表盤支撐梁、發動機閥蓋、密封結構件、高速器、濾器器、發動機承受臺、消音器等。3. 鎂材在自行車上的開發與應用自行車是人力驅動工具，因而質量的減輕帶來的效果非常顯著，具有更好的加速性能、爬坡性能、轉彎性能，并且容易操縱，因而在國外自行車行業流傳著“產品輕1g多賣1美元”的說法。與鋁質自行車相比，用鎂材制造自行車可減重33%；用鎂材制造的折疊自行車車架重量僅1.4kg，總重量僅為4kg。目前自行車使用鎂合金部件包括輪轂、車把夾、腳踏板、制動器、手把、前叉、框架等近十幾個部件。4. 鎂材在航空航天上的開發與應用航空航天材料減重帶來的經濟效益和性能改善十分顯著。在質量減輕相同的情況下，商用飛機節省的燃油費是汽車的近100倍，而戰斗機的燃油費用節省又是商用飛機的近10倍，更重要的是其機動性能的改善可以極大地提高戰斗力和生存能力。正因為如此，早在20世紀20年代就開發出了許多鎂合金部件，如發動機曲柄箱、發動機零件、氣球吊籃、客機座椅、起落輪。隨著鎂合金生產技術的發展，材料的性能不斷提高，其應用范圍也不斷擴大。目前的應用領域包括各種民用和軍用飛機的發動機零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結構，以及火箭、導彈、衛星的一些零部件。5. 現代兵器零部件的鎂合金化及發展趨勢槍械武器、裝甲車輛、導彈、火炮、彈藥、光電儀器、武器用計算機及軍用器材中有較大數量的鋁合金零件和工程塑料件，根據鎂合金材料的性能和使用特點，將這些零件改用鎂合金制造在技術上是可行的。采用鎂合金材料代替武器裝備的中、低強度鋁合金零件和部分黑色金屬零件，實現武器裝備輕量化：槍械武器：機匣、彈匣、槍托體、提把、前護手、彈托板、瞄具座等；裝甲車輛：坦克座椅骨架、機長鏡、變速箱殼體、發動機濾座、進出水管、空氣分配器座、機油泵殼體、水泵殼體、機油熱交換器、機油濾清器殼體、氣門室罩、呼吸器等；光電產品：鏡頭殼體、紅外成像儀殼體、底座。6. 鎂合金材料在電子工業（家用電器和3C產品）上的開發與應用近10年來，電子工業發達的國家，特別是日本和歐美一些國家，在鎂合金產品的開發方面開展了大量工作并取得了重要進展，一大批重要電子產品使用了鎂合金，取得了理想的效果。3C工業（計算機、通訊設備、消費類電子產品）是當今全球發展速度最快的產業，數字化技術導致各種數字化產品不斷涌現。鎂合金3C產品最早出現于日本，1998年日本廠商開始采用鎂合金制造各種可攜式商品（如PDA、手機等），如今最為普遍的鎂合金3C產品是筆記本電腦，是由日本SONY公司率先推出的。在3C產品朝著輕、薄、短、小方向發展趨勢的推動下，今年來鎂合金的應用得到了持續增長。我國雖然是世界產鎂大國，但與日、美、歐相比，在鎂合金材料研究、生產技術及應用領域等方面還有相當大的差距，仍處于起步階段。五、規模與投資需求投資規模萬元，廠房及設備設施需求等。六、生產設備根據研發和生產需求，鎂合金在加工和性能檢測方面需要用到以下裝置：真空式高頻感應熔煉爐；鑄件的金屬型模具；坩堝為石墨型坩堝；大型真空熱處理爐；一整套機加工設備：加工中心、數控車床、手動工具；試樣拉伸試驗在Zwick/Roell Z100拉伸試驗機上完成；硬度測試采用XC-ST50顯微硬度測試儀，金相組織觀察在VMS-2000金相圖像分析系統上完成；氧化膜形貌觀測等在日立S-4800掃描電鏡上進行；大氣條件下的氧化動力學實驗在SDT-Q600差熱分析儀上進行。七、效益分析按每年生產X噸計算，可獲利約XXXX萬，八、合作方式合作方式采用技術入股或者技術轉讓的形式，價格面談。九、項目具體聯系人及聯系方式項目負責人：丁儉，電話：15122335148，email：djian@126.com。十、附件：成果圖片圖11 鎂合金零件產品

河北工業大學 2021-04-11

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