CN101598931A - 液态金属浸渗可视化控制方法及其专用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态金属浸渗可视化控制方法及其专用装置，利用图像采集处理系统观察渗流过程套筒斜面红外热图像的变化情况，通过对热图像的分析，在浸渗不完全的情况下可通过浸渗控制系统改变坩埚腔内的真空度并调节电气比例阀的输入电压值来改变坩埚腔内的气体压力，或者通过控制系统调节温控仪升高金属液的温度，使浸渗过程顺利进行，实现浸渗过程的实时控制。本发明利用液态金属在多孔介质中浸渗可视化的专用装置，真实地反映了液态金属在多孔介质预制体中的流动状态，浸渗控制系统实现了对浸渗过程的实时控制，图像采集处理系统实现了对浸渗过程的可视化观测。
Description
技术领域
本发明涉及一种可视化控制方法，特别涉及液态金属浸渗可视化控制方法。还涉及液态金属浸渗可视化控制装置。
背景技术
参照图3，文献“专利号为ZL 00242901.2的中国专利”公开了一种可模拟高温条件下孔隙介质中渗流动态的方法。在其所用装置的顶面和底面中部设有观察窗4和照明窗6，观察窗上部安装显微摄像机5，照明窗下部安装反射镜11和光源10，利用透明微模型8模拟多孔介质孔隙结构并将其固定在观察室内。模型的出入口与观察室外的高温容器3、微量驱动泵1、回压调节器15连接，观察室的温度通过恒温油浴调节，压力由高温计量泵13控制，从而实现常温常压和高温高压条件下孔隙介质中的渗流动态模拟。
该方法是通过透明微模型来模拟高温条件下孔隙介质中渗流动态，由于其采用透明的微模型模拟多孔介质的孔隙结构，因而只能对真实浸渗过程进行模拟测量，无法直接对流体在多孔介质预制体中的实际渗流情况进行直观可视化测量，也不能实现浸渗过程的在线反馈控制；同时利用该装置也无法得到浸渗过程内部面场上的全部温度信息。
发明内容
为了克服现有技术无法实现对液态金属在多孔介质预制体内部浸渗过程的直接观测及在线控制的不足，本发明提供一种液态金属浸渗可视化控制方法，该方法利用液态金属在多孔介质中浸渗可视化的专用装置，可以实现对浸渗过程的实时控制，同时可直观地获得液态金属在多孔介质预制体中浸渗过程温度场分布和浸渗前沿的流动状态的红外热图像。
本发明还提供液态金属浸渗可视化控制方法专用装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种液态金属浸渗可视化控制方法，其特点是包括下述步骤：
(a)制备与套筒配合的斜面预制体，经低温烘干、烧结；
(b)将步骤(a)制备的斜面预制体放置在浸渗腔中，确保预制体的斜面与套筒斜面紧密接触；不锈钢坩埚中放置AZ91D镁合金，启动温度控制系统，使不锈钢坩埚的温度到达820±5℃，融化镁合金，并保温30～40分钟；
(c)启动抽真空系统，对渗流腔体抽真空，当真空度到达0.095Mpa时，停止抽真空；
(d)启动红外热像仪，利用IEEE1394火线传输套筒斜面温度场的数字信号，通过图像采集处理系统获得斜面套筒温度场的热图像，并对获得的图像进行处理；
(e)通过浸渗控制系统调节电气比例阀输入电压值来控制不锈钢坩埚腔内惰性气体的压力0.1～0.5MPa，金属液在压力的作用向上流动，浸渗到预制体中，保压10～20s；与此同时，利用图像采集处理系统观察渗流过程套筒斜面红外热图像的变化情况，通过对热图像的分析，在浸渗不完全的情况下可通过浸渗控制系统改变坩埚腔内的真空度并调节电气比例阀的输入电压值来改变坩埚腔内的气体压力，或者通过控制系统调节温控仪升高金属液的温度，使浸渗过程顺利进行，实现浸渗过程的实时控制。
一种上述液态金属浸渗可视化控制方法专用装置，其特点是包括渗流腔盖、坩埚、加热单元、抽真空系统、浸渗腔以及套筒，浸渗腔为三台式结构，套筒底面为斜面形状，浸渗腔置于坩埚里，套筒置于浸渗腔里，套筒的外径与浸渗腔内径等大，套筒上的凸台卡在浸渗腔的凹台上，渗流腔上部腔体固定套筒，下部腔体用来放置预制体；渗流腔盖的凸台上开有与套筒大小相同的通孔，渗流腔盖压紧套筒，套筒的斜面与预制体斜面紧密接触，渗流腔盖、浸渗腔、坩埚的法兰盘上均匀分布8个螺栓孔，三者之间采用螺栓连接；套筒与浸渗腔之间通过石墨纸进行密封；坩埚用来熔炼金属，与渗流腔盖、浸渗腔通过螺栓连接后放置于加热单元内；通过加热单元间接实现对纤维预制体的预热，通过抽真空系统和浸渗控制系统实现金属液在纤维预制体中的浸渗。
本发明的有益效果是：由于利用液态金属在多孔介质中浸渗可视化的专用装置，真实地反映了液态金属在多孔介质预制体中的流动状态，浸渗控制系统实现了对浸渗过程的实时控制，图像采集处理系统实现了对浸渗过程的可视化观测。通过图像采集处理系统获得的直观图像信息可以深入研究液态金属在多孔介质预制体中的渗流规律，进而掌握真实的浸渗过程，为采用浸渗方法制备金属基复合材料的工艺奠定理论基础，从而更好地指导现有的金属基复合材料制备工艺，解决影响复合材料制件性能的关键问题。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明液态金属浸渗可视化控制方法专用装置结构示意图。
图中，1-浸渗控制系统，2-图像采集处理系统，3-红外热像仪；4-渗流腔盖，5-浸渗腔，6-不锈钢坩埚，7-电气比例阀，8-储气罐，9-加热单元，10-套筒，11-预制体，12-AZ91D镁合金，13-温控仪，14-抽真空系统，15-石墨纸。
图2是本发明液态金属浸渗可视化控制方法流程图。
图3是现有技术模拟渗流动态装置的结构示意图。
图中，1-微量驱动泵，3-高温容器，4-观察窗，5-显微摄像机，6-照明窗，8-微模型，10-光源，11-反射镜，13-高温计量泵，15-回压调节器。
具体实施方式
实施例1：参照图1，液态金属在多孔介质中的浸渗可视化专用装置。该装置由：浸渗控制系统1、图像采集处理系统2、红外热像仪3、温控仪13、抽真空系统14组成。浸渗系统由渗流腔盖4、浸渗腔5、不锈钢坩埚6、套筒10组成。渗流腔盖4、浸渗腔5、不锈钢坩埚6的法兰盘上均匀分布八个螺栓孔，三者之间采用螺栓连接。渗流腔盖4需压紧套筒10，渗流腔盖4的凸台上开有与套筒10大小相同的通孔，以便观测套筒斜面的温度场信息，其中套筒10底面为斜面形状，该斜面与预制体11斜面紧密接触，来反映渗流内部温度场信息；渗流腔5上部腔体固定套筒10，下部腔体用来放置预制体；不锈钢坩埚6用来熔炼AZ91D镁合金12，坩埚6与渗流腔盖4、浸渗腔5通过螺栓连接后放置于加热单元9内。储气罐8由管道通过电气比例阀7接入坩埚6。
温度控制系统由加热单元9、温控仪13、热电偶、保温部件和绝缘部件组成，温度控制系统实现对不锈钢坩埚6的加热，使镁合金熔化，并给预制体11预热；抽真空系统14由电机、真空泵、压力表组成。
渗流腔盖4、浸渗腔5、不锈钢坩埚6的法兰盘上均匀分布八个螺栓孔，采用螺栓连接，其中不锈钢坩埚6与浸渗腔5之间、套筒10和浸渗腔5之间用数层石墨纸15进行密封，浸渗腔5与渗流腔盖4之间用石墨垫圈进行密封；在套筒、浸渗腔5与套筒接触面涂抹石墨，起到润滑作用，方便浸渗结束后模具的拆卸；在不锈钢坩埚6内加入镁合金，将预制体11放置在浸渗腔5中，保证预制体11斜面与套筒10斜面之间紧密接触；对渗流腔盖4、浸渗腔5、不锈钢坩埚6用螺栓进行连接，确保渗流腔盖4压紧套筒10。将浸渗系统放置于加热单元9内，并连接抽真空系统14和浸渗控制系统1。
实施例2：参照图2，本发明方法实施过程中红外热像仪采用英福泰克VarioCAM hr head480，所用基体金属为AZ91D镁合金，预制体由洛阳耐火材料研究所生产的Al2O3短纤维制成。液态金属在多孔介质中的浸渗可视化方法：
1)将制备好的斜面预制体装入浸渗腔5中，把AZ91D镁合金放入不锈钢坩埚6内，对装置进行密封连接；
2)启动温度控制系统加热1小时，使不锈钢坩埚的温度达到820±5℃，镁合金全部融化，并保温30～40分钟；
3)启动抽真空系统，用真空泵对渗流腔体内部抽真空，当真空度到达0.095MPa时，停止抽真空；
4)启动红外热像仪，通过IEEE1394火线传输套筒斜面温度场的数字信号，通过图像采集处理系统获得斜面套筒温度场的热图像，并对获得的图像进行处理，以提高其可读性；
5)通过浸渗控制系统调节电气比例阀输入电压值来控制不锈钢坩埚腔内惰性气体的压力，使之介于0.1～0.5MPa，熔融镁合金向上渗流进入预制体内部，保压10～20s；从而导致斜面的温度产生变化，随着浸渗过程的进行液态金属依次从套筒斜面底端到达顶端，利用图像采集处理系统即可观测套筒斜面的热图像，该热图像的变化情况即直观地反应了金属液在预制体内部的流动情况以及浸渗前沿的形状。通过对热图像的分析，在浸渗不完全的情况下可通过浸渗控制系统改变坩埚腔内的真空度并调节电气比例阀的输入电压值来改变坩埚腔内的气体压力，或者通过控制系统调节温控仪升高金属液的温度，使浸渗过程顺利进行，实现浸渗过程的实时控制。
Claims (2)
1、一种液态金属浸渗可视化控制方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)制备与套筒配合的斜面预制体，经低温烘干、烧结；
(b)将步骤(a)制备的斜面预制体放置在浸渗腔中，确保预制体的斜面与套筒斜面紧密接触；不锈钢坩埚中放置AZ91D镁合金，启动温度控制系统，使不锈钢坩埚的温度到达820±5℃，融化镁合金，并保温30～40分钟；
(c)启动抽真空系统，对渗流腔体抽真空，当真空度到达0.095Mpa时，停止抽真空；
(d)启动红外热像仪，利用IEEE1394火线传输套筒斜面温度场的数字信号，通过图像采集处理系统获得斜面套筒温度场的红外热图像，并对获得的图像进行处理；
(e)通过浸渗控制系统调节电气比例阀输入电压值来控制不锈钢坩埚腔内惰性气体的压力0.1～0.5MPa，金属液在压力的作用向上流动，浸渗到预制体中，保压10～20s；与此同时，利用图像采集处理系统观察渗流过程套筒斜面红外热图像的变化情况，通过对红外热图像的分析，在浸渗不完全的情况下可通过浸渗控制系统改变坩埚腔内的真空度并调节电气比例阀的输入电压值来改变坩埚腔内的气体压力，或者通过控制系统调节温控仪升高金属液的温度，使浸渗过程顺利进行，实现浸渗过程的实时控制。
2、一种权利要求1所述液态金属浸渗可视化控制方法专用装置，其特征在于：包括渗流腔盖、坩埚、加热单元、抽真空系统、浸渗腔以及套筒，浸渗腔为三台式结构，套筒底面为斜面形状，浸渗腔置于坩埚里，套筒置于浸渗腔里，套筒的外径与浸渗腔内径等大，套筒上的凸台卡在浸渗腔的凹台上，渗流腔上部腔体固定套筒，下部腔体用来放置预制体；渗流腔盖的凸台上开有与套筒大小相同的通孔，渗流腔盖压紧套筒，套筒的斜面与预制体斜面紧密接触，渗流腔盖、浸渗腔、坩埚的法兰盘上均匀分布8个螺栓孔，三者之间采用螺栓连接；套筒与浸渗腔之间通过石墨纸进行密封；坩埚用来熔炼金属，与渗流腔盖、浸渗腔通过螺栓连接后放置于加热单元内；通过加热单元间接实现对纤维预制体的预热，通过抽真空系统和浸渗控制系统实现金属液在纤维预制体中的浸渗。
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