1 电脉冲处理
电脉冲处理非晶合金的设备是GM-A型多用直流电脉冲发生器,它所提供的最大输出直流脉冲电压为250 V(峰值),输出脉冲宽度为τp=40μs,输出脉冲频率范围是1.7 Hz~20 Hz。将适当几何尺寸(长度l,宽度w,厚度d)的非晶薄带通过一个铝制卡具接于电脉冲发生器的输出端。电脉冲参数之一———最大电流密度J由下式计算
其中,ρe为试样的电阻率,U为脉冲发生器的输出峰值电压,l为试样长度。ρe的取值用标准的四触点法在室温下进行测量计算。脉冲发生器输出电缆及试样卡具的电阻测量值约为0.002Ω,与试样电阻相比甚小,可以忽略不计,但未计及电脉冲处理过程中由于试样温度升高和结构变化可能引起的电阻率的改变。
由式(1)可知,通过改变试样长度或调整电脉冲发生器的输出电压即可改变最大电流密度。我们在实验中所使用的J约为比闪光退火[2~4],交流焦耳加热[5],直流焦耳加热[6,7]和PEC[8,9]等研究工作用使用的J均高出1~2个数量级。而且,上述焦耳加热方法中,通电时间Δt多为几十秒或几十毫秒的量级,尽管有时被称为“电脉冲加热(electropulseheating)”,但并非严格意义上的电脉冲,只不过是一个短时大电流,或可称之为单脉冲。而我们在实验中使用的是连续脉冲,每个脉冲宽度为τp=40μs,比上述Δt小3个~6个数量级,从这个意义上来说,我们称之为连续的直流高密度超短电脉冲。
2 电脉冲处理过程中试样温度的测量
2.1 热电偶测温
选用k型(NICr-NiSi)热电偶,电偶丝的直经为0.07 mm。将热电偶点焊于薄带表面之上,电脉冲过程中,试样温度由数字温度计显示。测量结果表
明,通常条件下,试样可在几秒至十几秒内达到稳定的温度,根据数字温度计的读数显示来确定试样的平均温度。由于电流是脉冲式的,它所产生的焦耳热造成的试样温升在平均温度上存着起伏和涨落。又因热电偶对温度的响应时间大于电脉冲宽度,所以热电偶丝不可能跟踪记录下每个脉冲造成的瞬间温度,但可以捕获其中的部分高温信号,给出最大温度起伏,试样温度随时间的涨落如图1所示。
电脉冲处理过程中试样温度测量需要解决的另外一个问题是要明确试样温度是否是均匀的。为此,我们进行了如下的测量,如图2所示,将多支相同的热电偶分别点焊于试样的不同位置,同时测量试样的温度。测量结果表明,沿试样纵向的3支热电偶(图2(a))测得的温度值分别为TⅠ:336℃~374℃,TⅡ:340℃~370℃和TⅢ:342℃~375℃,可以认为,3支热电偶测出的温度完全一致,即沿试样纵向的温度是均匀的,但当热电偶Ⅰ和Ⅲ接近卡具约5 mm处,则测量温度显著降低;沿试样横向的2支热电偶(图2(b)),测得的温度值分别为TⅠ: 340℃~370℃和TⅡ: 335℃~367℃,即试样横向的温度也是均匀的。这表明,除卡具附近(约5 mm),整个试样在电脉冲期间由热电偶测得的温度是空间均匀的。
此外,我们还试尝用C-3型无机高温胶把热电偶粘接在非晶薄带表面之上来测量试样温度。如图3所示,热电偶Ⅰ为点焊,Ⅱ,Ⅲ,和Ⅳ为胶粘,粘接点的直经分别为1 mm,2 mm和4 mm,在试样及电脉参数与图2所示之情况完全相同的条件下,测得TⅠ: 340℃~370℃,TⅡ: 335℃~365℃,TⅢ:320℃~330℃,TⅣ: 338℃~355℃。可见,无机高温胶粘接的热电偶与点焊热电偶的测温结果比较接近,但粘接胶点较大时,有一定偏差。可能与表面粘接方法本身有关,热偶触点与被测试样的热接触不如点焊效果好,亦可能热电偶由于振动等偶然因素没有和试样表面接触好。
2.2 热电阻测温
采用铂(Pt)薄膜热敏电阻测温,在电脉冲处理过程中,把热电阻用一个弹簧片压紧非晶薄带之上,或把薄膜热敏电阻做成笔式形状随意触及被测点来测量温度,读数由数字温度计来显示。
2.3 红外热像仪测温
用AGA782型红外热像仪测温。首先由红外摄像机摄取试样在电脉冲处理过程中发射的红外光谱像,然后根据试样的表面发射率,由红外热像仪的计算机系统分解还原成温度场来确定试样温度。图4为试样在电脉冲处理过程中的温度场照片,由此求得试样的平均温度为360℃,试样的尺寸为87 mm×20 mm×25μm,使用的电脉冲参数J=1 800 A/mm2,f=20 Hz,τp=40μs。在相同条件下,用热电偶测量的温度与用红外热像仪测得的温度基本一致。从图4还可直观地看到,在电脉冲处理过程中,除卡具附近,试样各部位的温度基本上是均匀的。这一结果与Allia等人[6]在Fe40Ni40B20非晶合金在真空下的焦耳加热效应的研究工作中得到的结论一致,他们认为在间隔0.1l≤x≤0.9l(l为试样长度)内,电流加热试样的温度基本相同。
2.4 不同测温方法的比较
从以上结果可知,用铂(Pt)薄膜热敏电阻测温,特别是把薄膜热敏电阻作成笔式温度计,测温过程简便易行,但由于感温元件Pt薄膜外还有一层很薄的陶瓷膜,Pt薄膜不能直接与被测物体接触,因而,用这种方式来测量非晶薄带在电脉冲处理过程中的表面温度,可能会产生一些误差。用红外热像仪测温,过程较为复杂,费用很高,但能直观地给出试样在电脉冲处理过程中的温度场,测温结果比较可靠。用热电偶测温,在相同条件下与红外热像仪测量结果一致,而且能够给出叠加在平均温度之上的温度起伏,能够更全面地反映出电脉冲处理过程中试样温度的实际情况,是可行的方法。相对来说,用热电偶测温时,点焊热电偶于非晶薄带之上与用无机高温胶粘接热电偶于非晶薄带上,前者的重复性和可靠性更好些。因为C-3无机高温胶粘接热电偶约需24小时才能粘接牢固,即使确保在粘接时,热电偶与试样表面接触良好,凝固过程中亦可能由于某些偶然因素导致接触不良而造成测温的偏差。通过比较认为采用点焊于非晶薄带上的热电偶来测量电脉冲处理过程中试样的温度,是方便可靠的测温方法。
3 结论
多种测温方法相互配合,结果表明,用点焊于非晶薄带之上的热电偶(直径为0.07 mm)测量在电脉冲处理过程中试样温度是可靠的首选方法,能够准确地测量出试样的平均温度及温度起伏。电脉冲处理过程中,除卡具附近约5 mm以外,整个试样的温度可以认为是空间均匀的。叠加在试样平均温度之上的最大温度起伏为ΔT<30 K ,与文献[1]的理论结果完全一致。
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作者简介:滕功清(1957-),男,辽宁建昌人,北京机械工业学院基础部教授,博士,主要从事电脉冲作用下铁基非晶纳米晶化研究。
