熱電偶測溫法在雙層輝光離子滲金屬中應用

摘要:分析比較了幾種應用在雙層輝光離子滲金屬中的測溫手段存在的問題,采用陰極屏蔽技術(shù),一套適合雙層輝光離子滲金屬工件熱電偶測溫的實驗裝置。并介紹了其結(jié)構(gòu)和工作原理,實驗結(jié)果表明，該裝置工作穩(wěn)定,安全可靠,也可用于其它類似工況中的溫度測量。
0引言
　　雙層輝光離子滲金屬技術(shù)(在國際上被稱為.XU-TEC)是基于濺射技術(shù)、低溫等離子體技術(shù)及離子氮化技術(shù)的一種新型等離子體表面合金化技術(shù)，它已成為在金屬材料表面形成具有各種優(yōu)異物理、化學及機械性能合金滲層的一種有效手段。在雙層輝光離子滲金屬的過程中,工件的溫度對滲層性能及基體組織的影響特別明顯，是適時控制工藝參數(shù)的主要依據(jù),因此,準確地測量出工件的溫度便顯得非常重要。
1雙層輝光離子滲金屬技術(shù)及其設(shè)備
　　雙層輝光離子滲金屬設(shè)備如圖1 所示。雙層輝光離子滲金屬技術(shù)是在真空室內(nèi)設(shè)置陽極(接地)、陰極(工件)以及源極(滲金屬板),陽極和陰極之間以及陽極和源極之間各設(shè)一個可調(diào)直流電源，當真空室內(nèi)氬氣壓達到一定值后，調(diào)節(jié)上述電源，則在陽極和陰極以及陽極和源極之間出現(xiàn)輝光放電,此即為雙層輝光放電現(xiàn)象。輝光放電把工件加熱至高溫,源極的合金元素在氬離子轟擊下被濺射出來,高速飛向陰極(工件)表面，被工件表面吸附,借助于擴散過程進入工件表面，從而形成滲入元素的合金層。它的基本思想為其它離子滲金屬方法的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),在20世紀80年代后期,相繼出現(xiàn)了加弧輝光離子滲金屬、輝光氣相離子滲金屬等等離子體表面合金化技術(shù),并迅速發(fā)展起來。在鋼件表面進行雙層輝光離子滲金屬時,工件的溫度通常在1073~ 1473 K。
 
2雙層輝光離子滲金屬中的測溫問題
　　在雙層輝光離子滲金屬的過程中,工件置于真空室內(nèi)的等離子體中,并且在工件上加有偏壓，給熱電偶測溫和光電溫度計測溫都帶來諸多不便。
　　利用熱電偶進行接觸式測溫具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、動態(tài)響應快等特點,但存在以下問題難以解決:
(1)熱電偶的引線要引出真空室外，熱電偶與真空室間的密封問題;
(2)真空室內(nèi)的等離子體溫度不均勻,熱電偶必須與工件接觸,在接觸處如何避免弧光放電?
(3)為儀器和人身的安全,在保證熱電偶與工件接觸的情況下,如何使熱電偶不帶有工件的偏壓?
　　采用非接觸式測溫的光電溫度計,可以在真空室外方便而迅速地顯示出工件的溫度，與熱電偶相比,還具有靈敏度高、響應速度快等優(yōu)點。但是,使用光電溫度計必須知道被測物體的輻射系數(shù),也不允許在光路上受到外來干擾。而在雙層輝光離子滲金屬的過程中,工件表面覆蓋著輝光,工件的輻射性能發(fā)生變化，并且光電溫度計只能隔著透光玻璃來測溫,由于受到輝光等離子體及透光玻璃等的影響，光電溫度計指示出的溫度只是一個相對溫度,與工件的真實溫度相差很大。只有被能準確測量工件溫度的儀器校對之后,確定出合適的輻射系數(shù)補償值，光電溫度計才能顯示出工件的真實溫度。
3熱電偶接觸測溫 實驗裝置
　　鎧裝熱電偶外形整潔光滑,可撓性好,非常適合雙層輝光離子滲金屬工藝的測溫。將鎧裝熱電偶按圖2所示安裝在爐體上,塑料件定位塊使熱電偶與爐體隔離而絕緣;螺釘對壓蓋的緊固作用，使橡皮墊和密封環(huán)產(chǎn)生彈性變形，保證了熱電偶與爐體間的密封。
 
　　圖3所示為熱電偶與工件的接觸部位的結(jié)構(gòu)圖。
 
　　熱電偶保護套管固定在工件的臺階孔中,并形成寬度小于1mm.長度大于10mm的均勻縫隙a[3],縫隙的屏蔽作用使得工件與瓷管之間不會發(fā)生弧光放電。這樣,插入瓷管中的鎧裝熱電偶不僅與工件絕緣,而且與工件也不會發(fā)生弧光放電。
4結(jié)束語
　　為校驗該裝置測溫的準確性,在同一工件上安置了鎧裝鉑銠10-鉑熱電偶和鎧裝鎳鉻-鎳硅熱電偶兩套測溫系統(tǒng),在973~ 1373K范圍內(nèi)進行比對實驗4],結(jié)果二者顯示值相差小于3K,這說明該裝置測溫精度很高，是可行的,具有應用價值。這套熱電偶接觸測溫實驗裝置巧妙地運用了縫隙保護原理,使熱電偶在等離子體中得到屏蔽,成功地解決了雙層輝光離子滲金屬中熱電偶與工件間的接觸問題,克服熱電偶在接觸部位的電弧放電。該裝置在試驗過程中工作穩(wěn)定,熱電偶不受污染，使用壽命高,還具有安全可靠的優(yōu)點。不僅適合于雙層輝光離子滲金屬中的工件測溫，而且也適用于其它類似工況中的測溫。同時,該測溫裝置的設(shè)計成功，為準確選取光電溫度計的輻射系數(shù)補償值獲取比對數(shù)據(jù)提供了實驗手段。