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      1. Innovation and Creativity Competition

        國大學生機械工程創新創意大賽系列賽

        中國大學生材料熱處理創新創業大賽

        第七屆

         

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        真空熱擴滲動力學方程參數原位測量的傳感器模型

        真空熱擴滲動力學方程參數原位測量的傳感器模型
                                                                                                               學校名稱:哈爾濱工業大學
                                                                                                                                               參賽選手 :王一亨、朱磊、楊瑩、胡惠、湯卓夫
                                                                                                                指導老師:張雁祥、閆扶搖
                                                                                                        作品形式:論文/專利

        作品簡介
        以真空滲碳/滲氮為代表的熱擴滲是裝備關鍵動部件抗疲勞制造的核心技術,熱擴滲層厚度、濃度分布和組織結構的精確控制取決于滲入元素的擴散系數 D 和表面傳遞系數 ? 。然而,對擴滲過程以及動力學參數的表征仍面臨兩難瓶頸:1)過程的原位表征難且非原位實驗操作繁瑣;2)動力學參數基礎數據缺失。因此,本文源于真空滲碳/滲氮原理,試圖提出一種基于電導弛豫法(ECR)原位測量熱擴滲方程動力學參數的傳感器模型,以純擴散、表面傳遞及混合擴散控制相關聯的 Biot 數表征熱擴滲樣品的薄厚,以熱擴滲過程中樣品電導率隨時間
        的變化(弛豫)表征樣品質量變化,通過電導弛豫的阻抗譜模型,判定 Biot 數與擴散機制,進而得到 D 和 ? 的數值。該模型為原位測量真空熱擴滲動力學方程參數傳感器的構建奠定了理論基礎與可行性,相關成果已形成發明專利和論文。作品主要內容及創新點
          (1)通過基于真空熱擴滲物理模型的電導弛豫阻抗譜數學模型分析,明確了阻抗譜頻域曲線形狀與表征擴滲控制機制的 Biot 數的直接關系?;谧杩棺V形狀可實現真空熱擴滲控制機制的高分辨率判斷。
          (2)在該模型的基礎上,進一步通過物理模型在滲劑濃度的非理想弛豫切換影響下的分析,明確了阻抗譜頻域曲線形狀與切換時間的直接關系?;谧杩棺V可實現真空熱擴滲滲劑濃度切換時間與動力學參數 D 和 ? 三參數的同時測量。
          (3)通過向電導弛豫曲線中添加白噪聲模擬實驗中的未知噪聲,提出一種基于特征時間分布(DCT)的阻抗譜計算方法提高了阻抗譜分析擬合的穩健性,相比傳統的電導弛豫分析法擬合結果的精確度更高。為以電導弛豫阻抗譜為原理的傳感器模型在真實實驗中的可靠應
        用提供了分析基礎。


                基于真空熱擴滲的電導弛豫阻抗譜與置信區間:(a)三種擴滲控制機制的阻抗譜(從左到右依次為 Bi?1 的表面傳遞控制;Bi=1 的混合控制;Bi?1 的純擴散控制);(b)滲劑濃度切換時間影響下的阻抗譜(從左到右依次為換氣時間τ f =0s、1s 和 5s);(c)ECR 分析法與基于 DCT 的電導弛豫阻抗譜分析法置信區間

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