CN102252947B - 渗流特性测量方法专用装置以及测量熔融金属动态渗流特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渗流特性测量方法专用装置，其目的是解决现有的方法不能测量临界浸渗压力的技术问题。技术方案是通过齿条与小齿轮啮合，小齿轮与大齿轮啮合，电动伸缩杆与重物通过铰链连接，通过LVDT位移传感器测量渗流特性。本发明还公开了利用这种专用装置测量熔融金属动态渗流特性的方法。利用杠杆原理对预制体施加可控的、连续变化的浸渗压力，获得了熔融金属在多孔预制体中浸渗时的临界压力及浸渗前沿的运动变化规律，从而对渗流规律进行定量分析。

Description

渗流特性测量方法专用装置以及测量熔融金属动态渗流特性的方法

技术领域

本发明涉及一种渗流特性测量方法专用装置，还涉及利用这种专用装置测量熔融金属动态渗流特性的方法。

背景技术

熔融金属浸渗法是金属基复合材料最为经济的制备方法之一，其基本过程为，首先由增强相，如短纤维、晶须、颗粒及长纤维等制备多孔预制体，然后熔融金属在气压、负压或机械压力作用下渗入多孔预制体中从而形成金属基复合材料，其中熔融金属在多孔预制体中的渗流行为对于金属基复合材料的成形质量具有重要的影响。

参照图2。文献“专利申请号是200610043107.X的中国专利”公开了一种真空负压浸渗制备金属基复合材料渗流特性的测量方法。该方法所用装置导杆1和上封盖3采用自密封螺纹连接；将导线柱2分别插入导杆1和上封盖3中，导杆1的导线柱与上封盖3中的导线柱用细铜线连接，预制体12中的两根钨丝7分别与导杆1的导线柱连接，上封盖3中的导线柱与外部接口电路连接；将接好电路的导杆1和预制体12整体放置在石英坩埚11中；石英坩埚11和炉盖5采用间隙配合；上封盖3和炉盖5中间放置密封垫圈后用沉头螺栓紧固；顶杆17和炉体8采用自密封螺纹连接；不锈钢坩埚9同轴放在顶杆17的托盘上，托盘和炉体8底部接触；在不锈钢坩埚9周围放置B电阻加热器16；将定量铝合金LY12加入不锈钢坩埚9中，放上支架14；在支架14上固定放置A电阻加热器13，加热预制体12；炉盖5和炉体8中间放上密封垫片6，用螺栓紧固；将钨丝7的输出线连于外部接口电路，工业控制机通过外部电路接收电压变化信号。

该方法采用连续电阻法测量了浸渗位移与时间的关系，采用分布式探针法测量浸渗液面推进情况，研究了高温金属液负压渗流过程及渗流规律。在测量高温金属液浸渗高度时，将插入钨丝的预制体放置在石英坩埚中，钨丝通过导线柱与外部接口电路连接，熔融金属液在负压作用下向上渗流，浸入到预制体中，外部接口电路采集卡同步记录电压变化过程，利用渗流场和电流场运动规律的相似性，可得渗流液面位移——时间关系曲线。

文献公开的方法可以测量浸渗液面推进情况，定量分析金属液在多孔预制体中的渗流基本规律。但是存在以下不足：钨丝或钢针的埋入会破坏预制体的结构，对金属液的渗流行为会造成影响；通过钨丝或钢针与浸渗前沿导通时的电压变化反映渗流液面的变化规律，存在一定的滞后性及转化误差；操作不方便，而且不能得到浸渗的临界压力大小。

发明内容

为了克服现有技术不能测量临界浸渗压力的不足，本发明提供一种渗流特性测量方法专用装置，可以直接测量临界浸渗压力。

本发明还提供利用这种专用装置测量熔融金属动态渗流特性的方法。通过利用杠杆原理对预制体施加可控的、连续变化的浸渗压力，可以获得熔融金属在多孔预制体中浸渗时的临界压力及浸渗前沿的运动变化规律，从而对渗流规律进行定量分析。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种渗流特性测量方法专用装置，包括电炉、保温套、密封端盖、计算机，其特点是还包括热电偶、挤压冲头、熔炼浸渗模、计算机、齿条、导套、LVDT位移传感器、大齿轮、小齿轮、电动伸缩杆以及重物，热电偶穿过挤压冲头与纤维预制体接触，挤压冲头一端与熔炼浸渗模配合，置于纤维预制体上，另一端与齿条螺纹连接，齿条置于导套中并与小齿轮啮合，小齿轮与大齿轮啮合，电动伸缩杆固接于大齿轮上并在其右端与重物通过铰链连接，LVDT位移传感器铁心连杆与齿条上端面接触，电动伸缩杆控制器、LVDT位移传感器及热电偶均与计算机电连接。

一种利用上述专用装置测量熔融金属动态渗流特性的方法，其特点是包括下述步骤：

(1)在熔炼浸渗模中放入金属基体，再将纤维预制体置于金属基体上，然后使用电炉加热熔炼浸渗模；

(2)将挤压冲头伸入熔炼浸渗模中，重物置于电动伸缩杆右端，调整重物的重量使齿条平衡；

(3)LVDT位移传感器与齿条顶端接触，并清零；

(4)计算机控制电动伸缩杆控制器，使伸缩杆向右伸出，使重物向右匀速运动，同时记录重物的运动速度及LVDT位移传感器的位移、时间信息，当LVDT位移传感器位移突然增大的瞬间记下当前的时间，并控制电动伸缩杆停止运动；

(5)数据处理，获得临界浸渗压力及浸渗前沿的运动规律。

本发明的有益效果是：本发明可通过一次浸渗实验得到临界浸渗压力及浸渗前沿的运动规律。与现有技术相比，通过LVDT位移传感器记录预制体的位移信息从而得到浸渗前沿的运动规律，不仅可减小外插电极对预制体造成的损害，而且浸渗前沿与预制体的位移直接对应，减小不同物理量转化时造成的误差，所以测量结果更加准确。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明渗流特性测量方法专用装置结构示意图。

图中，1-金属基体，2-纤维预制体，3-热电偶，4-挤压冲头，5-熔炼浸渗模，6-密封端盖，7-电炉，8-保温套，9-计算机，10-齿条，11-导套，12-LVDT位移传感器，13-连杆，14-限位块，15-小齿轮，16-大齿轮，17-电动伸缩杆，18-重物。

图2是背景技术真空负压浸渗制备金属基复合材料渗流特性的测量方法所用装置结构示意图。

图中，1-导杆，2-导线柱，3-上封盖，4-进气阀门，5-炉盖，6-密封垫片，7-钨丝，8-炉体，9-不锈钢坩埚，10-抽气阀门，11-石英坩埚，12-预制体，13-A电阻加热器，14-支架，15-金属液，16-B电阻加热器，17-顶杆。

具体实施方式

以下实施例参照图1。

实施例1：本发明所用金属基体为纯铝，预制体采用吉林碳素厂生产的碳纤维，预制体尺寸为

，采用湿法制备碳纤维预制体。

本实施例装置由挤压冲头4、熔炼浸渗模5、密封端盖6、电炉7、保温套8、计算机9、齿条10、导套11、LVDT位移传感器12、连杆13、限位块14、小齿轮15、大齿轮16、电动伸缩杆17以及重物18组成。金属基体1和纤维预制体2置于熔炼浸渗模5内，金属基体1位于底部，纤维预制体2位于金属基体1上方；挤压冲头4伸入熔炼浸渗模5内，熔炼浸渗模5放置于电炉7内，并且在电炉外部包裹保温套8，上方使用密封端盖6密封；LVDT位移传感器12上铁芯连杆13固定于齿条10上端面，挤压冲头4顶端与齿条10下端螺纹连接，齿条10置于导套11中，并与小齿轮15相啮合，小齿轮15安装在位置固定的支架上，同时与安装在相同支架上、轴心与小齿轮轴心在同一水平线上的大齿轮16相啮合，电动伸缩杆17固接于大齿轮上，其延长线通过大齿轮轴心，重物18通过铰链连接于电动伸缩杆右端，并可随电动伸缩杆的顶杆向右移动。热电偶3穿过挤压冲头4与碳纤维预制体2接触，热电偶3、LVDT位移传感器12、电动伸缩杆17采用相应的数据线与计算机9连接。

按上述方式连接装配完成后，首先将纯铝坯料置于熔炼浸渗模5中，再在其上放置纤维预制体2，加热熔炼浸渗模5，使纯铝坯料熔化成铝液。电动伸缩杆17向右缓慢伸出，使挤压冲头4产生向下线性增大的压力，压力增大的速度由电动伸缩杆17的移动速度调节。起初由于多孔的纤维预制体2在毛细管力的作用与重物18平衡，挤压冲头4无位移输出。当重物18产生的作用力达到多孔的纤维预制体2的毛细管力(即临界浸渗压力)时，挤压冲头4位移会产生突然增大，说明熔融金属开始浸渗到多孔的纤维预制体2中，此时通过计算机9控制电动伸缩杆17停止运动，固定于停止位置，由重物18所处的位置，就是临界浸渗压力，此时即发生临界浸渗压下的浸渗。

实施例2：熔融法制备金属基复合材料工艺中熔融金属在多孔预制体中浸渗时的浸渗前沿的运动变化规律的测定方法。

本实施例装置与实施例1装置相同，各组成单元按相同方式连接。连接完成之后，首先将铝合金坯料置于熔炼浸渗模5中，再在其上放置纤维预制体2，启动电炉7加热熔炼浸渗模5，使铝合金坯料熔化成铝液。采用计算机9控制电动伸缩杆17匀速向右缓慢伸长，重物重力通过齿轮齿条组成的杠杆系统传递到挤压冲头4上，使之产生向下线性增大的压力，压力增大的速度可由电动伸缩杆的移动速度调节。当重物施加于齿条上的压力达到临界浸渗压力时，液态金属浸入纤维预制体中，冲头产生向下的移动。在实施例1测量得到临界浸渗压力大小的基础上，记录临界浸渗压力对应的电动伸缩杆的临界位置，通过计算机9控制电动伸缩杆17运动到超过临界位置的不同位置，并固定于当前位置，从而产生不同的浸渗压力。在每一种浸渗压力下，熔融金属液浸渗到纤维预制体中，从而使纤维预制体在挤压冲头作用下向下运动，浸渗前沿的运动就可以由挤压冲头的运动间接表示出来。使用计算机记录与挤压冲头和齿条相连的LVDT位移传感器12的位移变化，得到熔融金属在纤维预制体中浸渗时的浸渗前沿的运动变化规律。

实施例3：多孔预制体的渗透性系数的测定方法。

本实施例装置与实施例1装置相同，各组成单元按相同方式连接。实施步骤与实施例2相同。在实施例1测得临界浸渗压力大小的基础上，记录临界浸渗压力对应的电动伸缩杆的临界位置，通过计算机9控制电动伸缩杆17运动到超过临界位置的不同位置，并保持固定不动。重物18通过大齿轮16、小齿轮15以及齿条10组成的杠杆系统将自身重力按一定的比例传递到挤压冲头上，获得不同的浸渗压力。

在不同的浸渗压力作用下，齿条带动挤压冲头向下移动，液态金属渗入纤维预制体中，齿条的位移间接反映了液态金属浸渗前沿的位移。使用计算机9记录LVDT位移传感器12测得的齿条的位移数据，确定浸渗过程中浸渗高度h和浸渗时间t的关系，进而通过由Darcy定律推导出多孔预制体的渗透性系数K/μ。

Claims (2)

1.一种渗流特性测量方法专用装置，包括电炉、保温套、密封端盖、计算机，其特征在于还包括热电偶、挤压冲头、熔炼浸渗模、计算机、齿条、导套、LVDT位移传感器、大齿轮、小齿轮、电动伸缩杆以及重物，热电偶穿过挤压冲头与纤维预制体接触，挤压冲头一端与熔炼浸渗模配合，置于纤维预制体上，另一端与齿条螺纹连接，齿条置于导套中并与小齿轮啮合，小齿轮与大齿轮啮合，电动伸缩杆固接于大齿轮上并在其右端与重物通过铰链连接，LVDT位移传感器上的铁心连杆与齿条上端面接触，电动伸缩杆控制器、LVDT位移传感器及热电偶均与计算机电连接。

2.一种利用权利要求1所述专用装置测量熔融金属动态渗流特性的方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)在熔炼浸渗模中放入金属基体，再将纤维预制体置于金属基体上，然后使用电炉加热熔炼浸渗模；

(2)将挤压冲头伸入熔炼浸渗模中，重物置于电动伸缩杆右端，调整重物的重量使齿条平衡；

(3)LVDT位移传感器上的铁心连杆与齿条上端面接触，并清零；

(4)计算机控制电动伸缩杆控制器，使电动伸缩杆向右伸出，使重物向右匀速运动，同时记录重物的运动速度及LVDT位移传感器的位移、时间信息，当LVDT位移传感器位移突然增大的瞬间记下当前的时间，并控制电动伸缩杆停止运动；

(5)数据处理，获得临界浸渗压力及浸渗前沿的运动规律。