氢是铝合金熔体中的有害元素,极易使铸件产生气孔、疏松等缺陷。因此,含氢量快速检测是铝合金生产领域普遍关注的重要研究课题。由于缺乏有效的含氢量动态快速检测方法,目前多采用氢的静态扩散方式进行测量。本文提出了一种动态快速检测氢分压的方法,并在此基础上,研究一种铝合金熔体含氢量快速检测装置。研究内容主要包括熔体吸氢特性及动态检测新方法、熔体氢分压动态测试数学模型及熔体含氢量计算的数学模型、铝合金熔体含氢量快速检测装置的研制及其在生产现场的初步应用。研究结果表明,基于氢分压动态测试方法的铝合金熔体含氢量快速检测装置,可在炉前快速准确地测定液态合金的含氢量,可用于不同条件下铝熔体含氢量变化规律的研究和不同除气方法的效果评价。本文首先在深入了解氢的来源、溶入方式、存在形态、存在位置及铝熔体吸氢热力学和动力学特性的基础上,分析铝合金熔体内部含氢量与表面氢分压间存在的必然联系,通过研究一种铝合金熔体氢分压与测试系统真空气室内压强之间的关系,提出动态测试熔体氢分压的新方法。该方法通过动态逼近平衡的手段实现熔体氢分压快速检测,即以真空气室自身变容所产生的压强变化作为理论评价依据,通过实时监控实际压强值与理论压强值的差值,瞬时判断出氢在真空气室和熔体间的流动方向,当差值符号发生逆转时,认为氢气的流动方向已发生改变,此时真空气室内的压强即可视为熔体氢分压值。其次,建立铝合金熔体氢分压与含氢量之间的关系。将氢以原子态直接溶入合金熔体时的平衡常数公式代入van’t Hoff等温方程,求出氢在铝合金熔体中含氢量的表达式,通过氢在合金各个组元中的标准摩尔自由能变化的加权平均,得到对于一般非理想溶液的氢的克分子熔解热公式,将公式变形后推出含氢量与熔体温度、熔体氢分压及熔体合金成分常系数A、B的对应关系式。再次,研制熔体氢分压动态测试及含氢量炉前快速测试装置。装置主要由真空变容单元、变容驱动单元及数据采集与处理单元三大部分构成。其中真空变容单元包括真空泵、氢气瓶、可变容真空气室、真空阀门组、恒温槽、隔离单元、探头及管路;变容驱动单元包括电动机、减速传动机构、行程开关及控制电路;数据采集与处理单元包括微压差传感器、热电偶、数据采集模块及计算机。可变容真空气室通过变容驱动单元改变容积,可使其内部压强连续变化。变容驱动单元采用超静电机和减速传动机构与之配套使用,以减少震动对系统产生的干扰,有利于获得稳定的压强变化。真空泵用于为测氢系统提供特定的初始压强,微压差传感器与热电偶用于实时监测真空气室压力变化及合金熔体温度。恒温槽用于减小熔体中的氢向外扩散时对真空气室内气体温度的影响,以保证气体在恒温下变容。隔离单元用于防止探头意外损坏时铝合金熔体被吸入真空气室。数据采集模块将温度、压力信号经高精度A/D转换后以串行总线方式经通信接口模块传至计算机,由计算机完成各种计算和判别。计算机软件功能主要包括,电动机、真空泵及电磁阀门组的动作控制,位移传感器、微压差传感器、AD590及热电偶实时输出信号的数据采集和存储,人机可视化操作,数据库管理及故障处理等。然后,研制一种低成本耐热测氢探头。该探头采用特殊材质构建的探头经高压定形焙烧而成,具有较强的热稳定性、高温机械强度和适宜的透气性,适用于基于氢分压动态检测原理的铝合金熔体含氢量快速检测。与进口仪器所配专用探头相比,其使用性能基本相当,成本降低90%以上。最后,采用自行研制的氢分压动态测定装置进行铝合金熔体含氢量快速检测试验。实验分准确性测试实验和铝合金含氢量变化规律研究实验两部分。在准确性测试实验中,分别采用密度检测法、氢分压检测法、标准检测法和生产现场实际测试对本文所述装置检测结果进行对比验证。在铝合金含氢量变化规律研究的实验中,分别研究保温时间对铝合金熔体含氢量的影响,除气工艺对铝合金熔体含氢量的影响,变质处理对铝合金熔体含氢量的影响,针孔度与铝合金熔体含氢量的关系等等。实验结果表明动态测试法相对密度测量法的测量误差小于0.056ml/100g,相对误差小于5.99%,可以用于实际生产。