Исследование параметров кристаллизации алюминиевых сплавов методом акустической эмиссии

Внедрение: 2019 г.

В статье [1] рассматривается система для исследования параметров кристаллизации алюминиевых сплавов методом акустической эмиссии. Основными функциями системы являются определение контролируемых параметров металла при кристаллизации, таких как выявление фазовых переходов, определение качества сплавов, определение среднего размера зерна отливки. Главной особенностью системы является определение контролируемых параметров металла при его кристаллизации, таких как обнаружение внутренних дефектов, а также анализ содержания растворенных газов непосредственно в жидком металле. При проведении исследования небольшой контейнер заполняется жидким металлом. В этот контейнер помещен цилиндрический волновод, на конце которого расположен пьезоэлектрический преобразователь. Исследование акустического сигнала позволяет определить зависимость параметров акустической эмиссии от структуры контролируемого металла в жидкой фазе. Основные особенности акустического сигнала определены для различных металлических конструкций путем статистической обработки серии экспериментов.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории с использованием измерительной установки, изображённой на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема информационно-измерительной системы.

В данной установке регистрировались параметры Р механических колебаний, возникающих в расплаве алюминия от эффекта акустической эмиссии кристаллизации, и температура металла Т.

Механические колебания возбуждались внутри жидкого металла при возникновении центров кристаллизации, росте и взаимодействии зёрен, а также образования усадочной раковины при завершении опыта и при образовании пор из-за выделения водорода из жидкого металла. Сигнал из расплава алюминия проходил по каналу передачи сигналов (КПС), в качестве которого был использован кварцевый волновод с графитовым тиглем, далее (ПАЭ) датчик акустической эмиссии Globaltest GT205 преобразовывал механические колебания в электрический сигнал, который усиливался с помощью усилителя (У) GT200A. Усиленный сигнал и сигнал температуры с термопреобразователя (ТП) поступали в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) Е‑502 L‑Card. Сигнал в цифровом виде записывался на персональном компьютере (ПК) с помощью программы LGraph.

На рисунке 2 представлена схема экспериментальной установки.

Рисунок 2. Схема установки с волноводом: 1 – пьезоэлектрический датчик; 2 – волновод из кварцевого стекла; 3 – графитовый тигель с вырезом в дне под волновод; 4 – лабораторный образец из алюминия.

На рисунках 3 и 4 представлены графики изменения среднеквадратического отклонения во времени, вычисленные для скользящего окна, определенные для опытов кристаллизации чистого Al и алюминия с добавлением модификатора.

Рисунок 3. Сигнал АЭ с добавлением модификатора (1 – график температуры кристаллизации; 2 – сигнал СКО процесса кристаллизации).	Рисунок 4. Сигнал чистого Al, без добавления модификатора (1 – график температуры кристаллизации; 2 – сигнал СКО процесса кристаллизации).

При анализе графиков видно, что добавление модификатора приводит к снижению амплитуд колебаний сигнала, снижению частоты появлений отдельных выбросов. Из полученных результатов можно делать вывод, что добавление модификатора уменьшает размер зерна алюминия, энергия акустической эмиссии становится меньше. Мониторинг параметров АЭ на протяжении всей стадии изготовления изделия с выведением результатов в итоговый отчет позволит создавать акустические паспорта на слитки. Определение размера зерна с помощью описанной системы открывает возможности для дальнейших исследований, которые могут в металлургической области качественно поменять технологию производства в целом.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18‑08‑00253).

Источник:
Ярославкина Е.Е., Тюрин Е.А., Зобнин П.Ю., Мельников Е.В., Ярославкин А.Ю., Бочкарев А.В. Акустико-эмиссионная система для исследования влияния модификатора AlTi5Bl на процесс кристаллизации алюминия // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: труды XXI международной конференции. – Самара: ООО «Офорт». – 2019. – Т. 2. – С. 188‑191.

Разработчик: Ярославкина Е.Е., Тюрин Е.А., Зобнин П.Ю., Мельников Е.В., Ярославкин А.Ю., Бочкарев А.В. (ФГБОУ ВО СГТУ, г. Самара)