王文寶張凱華于 坤

Al5052和Al6061紅外光譜發(fā)射率的對(duì)比研究

王文寶1張凱華2于 坤2

（1.興義民族師范學(xué)院， 貴州 興義 562400； 2.河南師范大學(xué)， 河南 新鄉(xiāng) 453007）

利用反射式光譜發(fā)射率測(cè)量裝置在300K至873K之間對(duì)兩種鋁合金Al5052和Al6061的光譜發(fā)射率進(jìn)行了測(cè)量，利用最小二乘法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性擬合。研究結(jié)果表明：在300K至873 K之間，Al5052和Al6061的光譜發(fā)射率均隨溫度升高呈線性關(guān)系增大；在不同溫度點(diǎn)，加熱時(shí)間對(duì)光譜發(fā)射率的影響不相同，雖然Al5052與Al6061的組分非常相近，但是兩者的光譜發(fā)射率卻有著較大的差異，特別是在高溫段，兩者的差異尤其顯著。本研究將進(jìn)一步豐富鋁合金的光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)，同時(shí)為工業(yè)上利用輻射測(cè)溫技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)量鋁合金表面溫度提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

鋁合金；光譜發(fā)射率；溫度；加熱時(shí)間

一、引言

鋁合金是一種應(yīng)用非常廣泛的有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在汽車、機(jī)械制造、船舶、航空和航天等行業(yè)中起著舉足輕重的作用[1]。鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、防銹能力強(qiáng)、導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑、儀器儀表、電器外殼等領(lǐng)域。此外，鋁合金回收性極好，這對(duì)于節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

在鋁合金的冶煉、熱處理及加工等過程中，需要對(duì)其表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且溫度的測(cè)量精確度直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和能耗的高低[2]。接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫[3]是目前常用的測(cè)溫方式有兩種，接觸式測(cè)溫設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，測(cè)溫精度較高，但是其動(dòng)態(tài)性能較差。非接觸式測(cè)溫以輻射測(cè)溫技術(shù)為主，輻射測(cè)溫技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量樣品的表面溫度[4，5]，但是材料表面的光譜發(fā)射率對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大[6～9]。在鋁合金的制造及加工過程中，產(chǎn)品通常處于高溫狀態(tài)下，并且在生產(chǎn)線上連續(xù)快速移動(dòng)。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫設(shè)備顯然無(wú)法滿足要求，因此輻射測(cè)溫技術(shù)是很好的選擇。但是在工業(yè)上利用輻射測(cè)溫計(jì)來(lái)精確測(cè)量鋁合金的溫度是十分困難的，Haugh研究了鋁合金的輻射特性對(duì)輻射測(cè)溫的影響[10]，他認(rèn)為由于鋁合金具有發(fā)射率低、輻射強(qiáng)度小、反射率高等特點(diǎn)，利用輻射測(cè)溫方法測(cè)量鋁合金的溫度通常會(huì)造成較大的誤差。

雖然已有研究者對(duì)鋁合金的輻射特性進(jìn)行了研究[11，12]，但以往研究的波長(zhǎng)主要集中在中紅外波段，近紅外波段的數(shù)據(jù)非常缺乏。1.55是中高溫輻射測(cè)溫儀和光纖測(cè)溫儀常用的一個(gè)波長(zhǎng)，但是有關(guān)該波長(zhǎng)光譜發(fā)射率的報(bào)道很少。此外，大多數(shù)研究都將樣品處在真空或者保護(hù)氣體中進(jìn)行，得到的光譜發(fā)射率值是理想狀態(tài)下的數(shù)值，不能滿足實(shí)際工業(yè)過程中的需求。金屬的熱處理和加工過程多數(shù)情況是在大氣中進(jìn)行的，因此研究大氣環(huán)境中鋁合金的光譜發(fā)射率特性對(duì)于輻射測(cè)溫、傳熱計(jì)算等具有非常重要的實(shí)際意義。本文選定兩種鋁合金樣品Al5052和Al6061，利用自主研制的光譜發(fā)射率測(cè)量裝置在大氣環(huán)境下對(duì)兩者的光譜發(fā)射率進(jìn)行對(duì)比研究。

二、測(cè)量原理

當(dāng)一束電磁波穿過媒介（或真空）到達(dá)物體表面時(shí)，將會(huì)發(fā)生如圖1所示的幾種情況，令入射能量為E，反射能量為Er，吸收能量為Eα，透射能量為Et，則由能量守恒定理可知

式（1）兩邊同時(shí)除以E，可以得到如下公式

其中ρ為物體的反射系數(shù)，α為物體的吸收系數(shù)，τ為物體的透射系數(shù)。

對(duì)于不透明物體，可以認(rèn)為其透射系數(shù)為0，因此式（2）簡(jiǎn)化為

反射式光譜發(fā)射率測(cè)量技術(shù)正是基于式（3）求解的，即首先測(cè)得物體表面的反射系數(shù)，進(jìn)而通過上式計(jì)算出吸收系數(shù)。而由基爾霍夫定律可知，好的吸收體必定是好的發(fā)射體，因此，物體表面的光譜發(fā)射率可以表示為

圖1 .測(cè)量原理圖Fig.1The schematic diagram of measurement

三、實(shí)驗(yàn)及討論

詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)裝置見參考文獻(xiàn)[13]，Al5052屬于Al-Mg系合金，Al6061屬于Al-Si-Mg系合金，兩種材料的組分非常相近，其成分含量如表1所示。兩種待測(cè)樣品被加工成直徑為90mm，厚度為2mm 的圓片（編號(hào)為 1，2，3，4），用丙酮和酒精清洗表面，之后用粗糙度儀（北京時(shí)代TR220）分別測(cè)量樣品中心區(qū)域的粗糙度，其粗糙度參數(shù)如表2和表3所示。從表中可以看出，樣品的表面均方根粗糙度參數(shù)Ra非常接近，我們用肉眼根本無(wú)法分辨，但從表中還是能夠看出有一些差異。表面粗糙度對(duì)光譜發(fā)射率的影響之前我們已經(jīng)有過相關(guān)報(bào)道，當(dāng)均方根粗糙度參數(shù)相差較小時(shí)，對(duì)光譜發(fā)射率所造成的影響幾乎可以忽略不計(jì)[14]。所以，在本文中可以忽略幾個(gè)樣品表面粗糙度差異所造成的影響。

鋁的熔點(diǎn)為933.4K，為防止樣品熔化，設(shè)定的最高測(cè)量溫度為873K。設(shè)定控溫裝置的加熱溫度和持續(xù)時(shí)間，首先分別對(duì)兩種鋁合金的1號(hào)樣品的光譜發(fā)射率進(jìn)行測(cè)量，加熱系統(tǒng)從室溫直接加熱樣品至873K，并持續(xù)加熱10個(gè)小時(shí)，光譜發(fā)射率測(cè)量裝置實(shí)時(shí)記錄300-873K和873K的光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)。其次對(duì)2號(hào)樣品進(jìn)行測(cè)量，設(shè)定加熱溫度為673K，并在該溫度點(diǎn)持續(xù)加熱5個(gè)小時(shí)，光譜發(fā)射率每?jī)煞昼娪涗浺淮喂庾V發(fā)射率數(shù)據(jù)。重復(fù)上述過程，分別對(duì)3號(hào)和4號(hào)樣品的光譜發(fā)射率持續(xù)5個(gè)小時(shí)的恒溫測(cè)量，測(cè)量溫度分別為773K和823K。

表1 Al5052和Al6061合金成分Table.1Constituents of AL5052 and AL6061

表2 Al5052表面粗糙度參數(shù)Table.2 Surface roughness parameters ofAL5052

表3 Al6061表面粗糙度參數(shù)Table.3 Surface roughness parameters of AL6061

加熱系統(tǒng)用最大功率將1號(hào)樣品從300K加熱至873K，Al5052和Al6061在波長(zhǎng)1.55μm處發(fā)射率隨溫度的變化關(guān)系分別如圖2和3所示。從圖中可以看出，Al5052的光譜發(fā)射率隨溫度的升高幾乎呈直線緩慢增大，從300K時(shí)的0.12增大至873K時(shí)的0.27；Al6061的光譜發(fā)射率大小與Al5052差別很小，但是線性度要差一些；Al6061在600K之前發(fā)射率幾乎保持不變，之后才緩慢增大。通過對(duì)兩組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，Al5052和Al6061的光譜發(fā)射率溫度模型可以分別表示為

圖2 Al5052光譜發(fā)射率隨溫度變化關(guān)系Fig.2Normal spectral emissivity variations of AL5052 from 300 to 873K

圖3 Al6061光譜發(fā)射率隨溫度變化關(guān)系Fig.3Normal spectral emissivity variations of AL6061 from 300 to 873K

與其它金屬的光譜發(fā)射率不同的是，在從室溫至873K整個(gè)加熱過程中，Al5052和Al6061的光譜發(fā)射率變化非常穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)峰值或谷值（相長(zhǎng)或相消干涉）。這可能是因?yàn)楹辖鸨砻嫔傻难趸瘜臃浅１?，沒有達(dá)到干涉條件。這也間接說明了在整個(gè)樣品加熱過程中，其表面氧化不是特別嚴(yán)重，所生成的氧化膜還不足以發(fā)生干涉現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)過程中，我們也發(fā)現(xiàn)樣品表面并沒有發(fā)生明顯的改變。一般來(lái)說，金屬的氧化將會(huì)在很大程度上造成光譜發(fā)射率的增大，但是Al5052和Al6061均含有耐蝕性成分Cr和Mg，Al6061還含有耐腐蝕成分Ti，其抗氧化性更好。隨著溫度的升高，樣品表面會(huì)生成一層非常薄的Cr、Mg和Ti的氧化膜，阻擋氧化膜內(nèi)的鋁繼續(xù)氧化。

將Al5052和Al6061的2、3、4號(hào)樣品分別加熱至673、773、873K后，進(jìn)行至少5個(gè)小時(shí)恒溫測(cè)量。圖4為溫度在673K時(shí)光譜發(fā)射率隨加熱時(shí)間的關(guān)系圖，從圖中可以看出，在673K時(shí)Al5052的光譜發(fā)射率十分穩(wěn)定，隨著時(shí)間的增加，只是出現(xiàn)微小幅度的增加，但是Al6061增大趨勢(shì)較為明顯，而且在整個(gè)測(cè)量過程中Al5052的光譜發(fā)射率都大于Al6061。

圖5為Al5052和Al6061在773K時(shí)光譜發(fā)射率隨加熱時(shí)間的關(guān)系圖，從圖中可以看出，在此溫度下，Al5052的光譜發(fā)射率隨著時(shí)間的增加變化不大，Al6061的光譜發(fā)射率隨著時(shí)間的增加而增大，但經(jīng)過兩個(gè)小時(shí)后，基本趨于穩(wěn)定。在整個(gè)加熱過程中，兩個(gè)樣品的光譜發(fā)射率出現(xiàn)了交叉和重疊，在隨后兩個(gè)小時(shí)里，Al6061的發(fā)射率甚至超過了Al5052。我們認(rèn)為這可能是由兩方面原因造成的，一是兩者粗糙度的差異，造成了光譜發(fā)射率的差異，從表2和表3可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)比測(cè)量的2號(hào)樣品的粗糙度參數(shù)有所差異；另一方面是Al6061含有的鈦元素，雖然抗氧化性更好，但是隨著溫度的升高樣品表面顏色變的較暗，在隨后的加熱過程中，我們也發(fā)現(xiàn)Al6061的表面亮度要明顯低于Al5052。

圖4Al5052和Al6061在溫度673K持續(xù)加熱5h的光譜發(fā)射率Fig. 4Variations of normal spectral emissivity at 673K for5h

圖6 為Al5052和Al6061在873K時(shí)光譜發(fā)射率與加熱時(shí)間的關(guān)系圖。從圖中可以看出，在此溫度下，Al5052和Al6061的光譜發(fā)射率發(fā)生了較大的變化，Al6061的光譜發(fā)射率隨著時(shí)間的增加快速變大，3個(gè)小時(shí)后，光譜發(fā)射率值趨于穩(wěn)定。在整個(gè)加熱過程中，Al6061的光譜發(fā)射率始終大于Al5052，該現(xiàn)象正好與673K時(shí)的相反。這說明在溫度較低時(shí)，Al6061的光譜發(fā)射率值較小，但當(dāng)溫度較高時(shí)，Al6061表面的光譜發(fā)射率較大。該現(xiàn)象也可以從圖3看出，Al6061在溫度大于700K后，光譜發(fā)射率增速明顯加大。造成這種現(xiàn)象的主要原因是Al6061合金含有較多成分的Si和Fe，當(dāng)溫度大于700K時(shí)，合金表面會(huì)生成一層氧化鐵等組分的氧化膜，導(dǎo)致其表層光澤明顯不如Al5052。因此，Al6061在高溫時(shí)的光譜發(fā)射率大于Al5052，在低溫時(shí)，光譜發(fā)射率相差很小。由此可以看出，合金摻雜成分不同，其光譜發(fā)射率會(huì)存在很大差別。

圖5 Al5052和Al6061在溫度773K持續(xù)加熱5h的光譜發(fā)射率Fig. 5Variations of normal spectral emissivity at 773K for5h

圖6 Al5052和Al6061在溫度873K持續(xù)加熱10h的光譜發(fā)射率Fig. 6Variations of normal spectral emissivity at 873K for10h

四、結(jié)論

通過對(duì)大氣環(huán)境中Al5052和Al6061樣品在波長(zhǎng)1.55μm處表面光譜發(fā)射率進(jìn)行測(cè)量，研究了溫度和加熱時(shí)間對(duì)其光譜發(fā)射率的影響。研究結(jié)果表明：在300 K至873 K之間，隨著溫度的升高，Al5052和Al6061的光譜發(fā)射率呈線性關(guān)系增大，所測(cè)結(jié)果可以用線性關(guān)系進(jìn)行擬合，該公式對(duì)于校正單波長(zhǎng)輻射測(cè)溫儀具有一定的參考價(jià)值。

加熱時(shí)間對(duì)光譜發(fā)射率的影響在不同溫度處差異很大，在低溫時(shí)，Al5052的光譜發(fā)射率整體上大于Al6061。在高溫時(shí)，由于受摻雜成分的影響，Al6061的光譜發(fā)射率整體上要大于Al5052。盡管Al5052與Al6061的成分也非常相近，但是其光譜發(fā)射率卻有著非常大的差異，在輻射測(cè)溫過程中，如果近似認(rèn)為其光譜發(fā)射率是定值，其測(cè)溫結(jié)果必將造成非常大的誤差。本研究將進(jìn)一步豐富了鋁合金的光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)，為工業(yè)上利用輻射測(cè)溫技術(shù)測(cè)量鋁合金溫度提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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A Comparative Research on the Infrared Spectral Emissivity of Al5052 and Al6061

WANG Wenbao1,ZHANG Kaihua2,YU Kun2
(1.Xingyi Normal University for Nationalities,Xinxi,Guizhou562400China；2.Henan Normal University, Xinxiang,Henan453007,China)

In this study,the normal spectral emissivity of aluminum alloys Al5052and Al6061 were measured by a reflective spectral emissivity measurement apparatus with the temperatures range from 300 up to 873 K.The determined data showed an increasing emissivity,this trend was approximated by a linear least-squares fit.At different temperatures,the influence of the heating time over the spectral emissivity was also different.While the composition of two alloys was broadly similar,there were substantial differences in normal spectral emissivity between Al5052 and Al6061.In the process of radiation temperature measurement,the problem that the normal spectral emissivity of two alloys was considered approximately equal may lead to the results of temperature measurement with large error.The results of the study will further enrich aluminum alloy spectral emissivity data and provide the experimental basis for its application in temperature measurement in industry.

aluminum alloy；spectral emissivity；temperature；heating time

1009—0673（2015）04—0110—06

O432.1

A

2015—07—15

黔西南州科技局科技計(jì)劃2013-4，貴州省科學(xué)技術(shù)基金黔科合J字[2012]2325和貴州省教育廳自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（黔教科2010089）資助的課題。

王文寶（1958— ），男，河南輝縣人，興義民族師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院教授，主要從事物理教學(xué)和材料科學(xué)方面的研究。

責(zé)任編輯：楊合成