PDF《调压铸造过程液态铝合金氢含量变化规律》

后者表面致密,中间略有凹陷,能看出由于凝固收 缩表面氧化膜被拉扯而形成的条纹. 图2精炼前后试样状态的对比 Fig.2 CompariSon of specimen states before and after refining 曲线B为潮湿气源条件下的测试结果.曲线具 有明显的波动特征,即真空除气后含氢量降低,破除真 空后氢含量又逐渐增高.可以证明,铝合金液中的氢 来源于铝液和大气中的水蒸气,铝液和水蒸气的化学 反应式为 2A1十3H20=A1203+6lH J. (1) 反应的自由能变化为 G=一78 003―5.737 lg丁+32.95 T, (2) 式中:G为自由能变化量;

T为绝对温度.反应生 成的氢溶解于铝液中.该反应的自由能为负值,因此 置换反应具有很大的热力学倾向.而热态氧化铝膜的 疏松结构又加剧了吸氢的动力学过程.破除真空后, 由于液面上水分子密度随着压力的增大而增加,界面 上的铝水反应更加激烈. 令平衡常数K=P】/P2, 则有 lgK=鲁, (3) 式中:P】和P2分别为反应界面上氢和水蒸气的平衡 分压;

R为气体常数;

T为绝对温度. 当温度为1

000 K时,K=4.03*1012,表明反应 向生成氢的方向强烈进行.此时动态平衡偏向吸氢 方. 反之,在真空阶段,由于液面上水分子密度突然降 低,氢的分压趋近于零,造成了呼氢的良好条件,平衡 向呼氢方移动,已溶入铝液中的氢不断析出.在氢气 104航空制造技术・2004年第6期 泡上浮的过程中也带走了非金属夹杂,因而使铝液纯 净.但是经过工艺循环后,在一定时间内,氢含量不能 恢复到原来的水平.在整个工艺循环过程中,氢含量 还是逐渐增高的. 相对于B组,C组采用了净化气源,利用离心分 离和过滤等技术除水,除水效率达到99%.试验曲线 已不具有B组的波动特征.在整个工艺循环过程中 含氢量维持在较低的水平. 真空精炼造成了良好的除氢条件.在含氢量较高 的情况下进行真空除气时,可以通过窗口看到液面的 波动和出现气泡现象,同时,在10 min左右的真空时 间内,氢含量显著降低.这表明氢在铝液中的扩散以 及气泡的上浮速度是相当快的.氢气泡上浮速度的计 算,可以借助于斯托克斯公式,即口:堑锚, (4)

9 77 6'

7 式中:口为氢气泡上升速度;

RH为气泡半径;

10.】和10H 分别为液态铝合金和氢气的密度;

叼为合金液的粘度;

g为重力加速度. 我们可以根据上式做一个保守的计算.如果坩埚 内铝熔体的深度为500 mm,坩埚底部的氢气泡在

10 min之内上升到液面,则气泡上升的平均速度为

50 mm/min.设JOAl为2

500 kg/m3,10H忽略不计,叩为1.908*10qPa・s,可以计算出气泡半径约为1.6* 10-5 m,与文献[3]的试验结果接近.事实上,由于气 泡在上升过程中尺寸不断增大,根据(4)式,上升速度 与气泡半径的平方成正比,因此气泡在上浮过程中作 加速运动,实际速度要大于计算值. 因此,在制定真空精炼工艺参数时,应该根据坩埚 的深度确定真空停留时间,坩埚深度越深,精炼时间也 应该越长.在一般的铸造工段,铝合金铸造熔炉的容 量通常为150~300 kg,建议真空除气的时间为10~15 min.调压铸造的实践表明,在干燥空气条件下,即便 最初的浮游精炼的效果较差,也能够获得较致密的铸 件.

3 结束语 本试验模拟调压铸造的条件,利用减压法测定了 ZLll4A合金氢含量的变化规律.研究结果表明,真空 除气有非常显著的精炼作用.潮湿的空气会造成铝液 氢含量的波动,对铸件质量产生不利影响;