Al5052和Al6061红外光谱发射率的对比研究

王文宝张凯华于 坤

Al5052和Al6061红外光谱发射率的对比研究

王文宝1张凯华2于 坤2

（1.兴义民族师范学院， 贵州 兴义 562400； 2.河南师范大学， 河南 新乡 453007）

利用反射式光谱发射率测量装置在300K至873K之间对两种铝合金Al5052和Al6061的光谱发射率进行了测量，利用最小二乘法对测量数据进行了线性拟合。研究结果表明：在300K至873 K之间，Al5052和Al6061的光谱发射率均随温度升高呈线性关系增大；在不同温度点，加热时间对光谱发射率的影响不相同，虽然Al5052与Al6061的组分非常相近，但是两者的光谱发射率却有着较大的差异，特别是在高温段，两者的差异尤其显著。本研究将进一步丰富铝合金的光谱发射率数据，同时为工业上利用辐射测温技术准确测量铝合金表面温度提供了实验依据。

铝合金；光谱发射率；温度；加热时间

一、引言

铝合金是一种应用非常广泛的有色金属结构材料，在汽车、机械制造、船舶、航空和航天等行业中起着举足轻重的作用[1]。铝合金具有密度低、强度高、防锈能力强、导电性能好等优点，被广泛应用于建筑、仪器仪表、电器外壳等领域。此外，铝合金回收性极好，这对于节约能源、保护环境有很大的现实意义。

在铝合金的冶炼、热处理及加工等过程中，需要对其表面温度进行实时监测，而且温度的测量精确度直接决定了产品的质量和能耗的高低[2]。接触式测温和非接触式测温[3]是目前常用的测温方式有两种，接触式测温设备结构简单，易于操作，测温精度较高，但是其动态性能较差。非接触式测温以辐射测温技术为主，辐射测温技术能够实时测量样品的表面温度[4，5]，但是材料表面的光谱发射率对测量结果影响较大[6～9]。在铝合金的制造及加工过程中，产品通常处于高温状态下，并且在生产线上连续快速移动。传统的接触式测温设备显然无法满足要求，因此辐射测温技术是很好的选择。但是在工业上利用辐射测温计来精确测量铝合金的温度是十分困难的，Haugh研究了铝合金的辐射特性对辐射测温的影响[10]，他认为由于铝合金具有发射率低、辐射强度小、反射率高等特点，利用辐射测温方法测量铝合金的温度通常会造成较大的误差。

虽然已有研究者对铝合金的辐射特性进行了研究[11，12]，但以往研究的波长主要集中在中红外波段，近红外波段的数据非常缺乏。1.55是中高温辐射测温仪和光纤测温仪常用的一个波长，但是有关该波长光谱发射率的报道很少。此外，大多数研究都将样品处在真空或者保护气体中进行，得到的光谱发射率值是理想状态下的数值，不能满足实际工业过程中的需求。金属的热处理和加工过程多数情况是在大气中进行的，因此研究大气环境中铝合金的光谱发射率特性对于辐射测温、传热计算等具有非常重要的实际意义。本文选定两种铝合金样品Al5052和Al6061，利用自主研制的光谱发射率测量装置在大气环境下对两者的光谱发射率进行对比研究。

二、测量原理

当一束电磁波穿过媒介（或真空）到达物体表面时，将会发生如图1所示的几种情况，令入射能量为E，反射能量为Er，吸收能量为Eα，透射能量为Et，则由能量守恒定理可知

式（1）两边同时除以E，可以得到如下公式

其中ρ为物体的反射系数，α为物体的吸收系数，τ为物体的透射系数。

对于不透明物体，可以认为其透射系数为0，因此式（2）简化为

反射式光谱发射率测量技术正是基于式（3）求解的，即首先测得物体表面的反射系数，进而通过上式计算出吸收系数。而由基尔霍夫定律可知，好的吸收体必定是好的发射体，因此，物体表面的光谱发射率可以表示为

图1 .测量原理图Fig.1The schematic diagram of measurement

三、实验及讨论

详细的实验装置见参考文献[13]，Al5052属于Al-Mg系合金，Al6061属于Al-Si-Mg系合金，两种材料的组分非常相近，其成分含量如表1所示。两种待测样品被加工成直径为90mm，厚度为2mm 的圆片（编号为 1，2，3，4），用丙酮和酒精清洗表面，之后用粗糙度仪（北京时代TR220）分别测量样品中心区域的粗糙度，其粗糙度参数如表2和表3所示。从表中可以看出，样品的表面均方根粗糙度参数Ra非常接近，我们用肉眼根本无法分辨，但从表中还是能够看出有一些差异。表面粗糙度对光谱发射率的影响之前我们已经有过相关报道，当均方根粗糙度参数相差较小时，对光谱发射率所造成的影响几乎可以忽略不计[14]。所以，在本文中可以忽略几个样品表面粗糙度差异所造成的影响。

铝的熔点为933.4K，为防止样品熔化，设定的最高测量温度为873K。设定控温装置的加热温度和持续时间，首先分别对两种铝合金的1号样品的光谱发射率进行测量，加热系统从室温直接加热样品至873K，并持续加热10个小时，光谱发射率测量装置实时记录300-873K和873K的光谱发射率数据。其次对2号样品进行测量，设定加热温度为673K，并在该温度点持续加热5个小时，光谱发射率每两分钟记录一次光谱发射率数据。重复上述过程，分别对3号和4号样品的光谱发射率持续5个小时的恒温测量，测量温度分别为773K和823K。

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

表2 Al5052表面粗糙度参数Table.2 Surface roughness parameters ofAL5052

表3 Al6061表面粗糙度参数Table.3 Surface roughness parameters of AL6061

加热系统用最大功率将1号样品从300K加热至873K，Al5052和Al6061在波长1.55μm处发射率随温度的变化关系分别如图2和3所示。从图中可以看出，Al5052的光谱发射率随温度的升高几乎呈直线缓慢增大，从300K时的0.12增大至873K时的0.27；Al6061的光谱发射率大小与Al5052差别很小，但是线性度要差一些；Al6061在600K之前发射率几乎保持不变，之后才缓慢增大。通过对两组测量数据进行线性拟合，Al5052和Al6061的光谱发射率温度模型可以分别表示为

图2 Al5052光谱发射率随温度变化关系Fig.2Normal spectral emissivity variations of AL5052 from 300 to 873K

图3 Al6061光谱发射率随温度变化关系Fig.3Normal spectral emissivity variations of AL6061 from 300 to 873K

与其它金属的光谱发射率不同的是，在从室温至873K整个加热过程中，Al5052和Al6061的光谱发射率变化非常稳定，没有出现峰值或谷值（相长或相消干涉）。这可能是因为合金表面生成的氧化层非常薄，没有达到干涉条件。这也间接说明了在整个样品加热过程中，其表面氧化不是特别严重，所生成的氧化膜还不足以发生干涉现象。实验过程中，我们也发现样品表面并没有发生明显的改变。一般来说，金属的氧化将会在很大程度上造成光谱发射率的增大，但是Al5052和Al6061均含有耐蚀性成分Cr和Mg，Al6061还含有耐腐蚀成分Ti，其抗氧化性更好。随着温度的升高，样品表面会生成一层非常薄的Cr、Mg和Ti的氧化膜，阻挡氧化膜内的铝继续氧化。

将Al5052和Al6061的2、3、4号样品分别加热至673、773、873K后，进行至少5个小时恒温测量。图4为温度在673K时光谱发射率随加热时间的关系图，从图中可以看出，在673K时Al5052的光谱发射率十分稳定，随着时间的增加，只是出现微小幅度的增加，但是Al6061增大趋势较为明显，而且在整个测量过程中Al5052的光谱发射率都大于Al6061。

图5为Al5052和Al6061在773K时光谱发射率随加热时间的关系图，从图中可以看出，在此温度下，Al5052的光谱发射率随着时间的增加变化不大，Al6061的光谱发射率随着时间的增加而增大，但经过两个小时后，基本趋于稳定。在整个加热过程中，两个样品的光谱发射率出现了交叉和重叠，在随后两个小时里，Al6061的发射率甚至超过了Al5052。我们认为这可能是由两方面原因造成的，一是两者粗糙度的差异，造成了光谱发射率的差异，从表2和表3可以发现，对比测量的2号样品的粗糙度参数有所差异；另一方面是Al6061含有的钛元素，虽然抗氧化性更好，但是随着温度的升高样品表面颜色变的较暗，在随后的加热过程中，我们也发现Al6061的表面亮度要明显低于Al5052。

图4Al5052和Al6061在温度673K持续加热5h的光谱发射率Fig. 4Variations of normal spectral emissivity at 673K for5h

图6 为Al5052和Al6061在873K时光谱发射率与加热时间的关系图。从图中可以看出，在此温度下，Al5052和Al6061的光谱发射率发生了较大的变化，Al6061的光谱发射率随着时间的增加快速变大，3个小时后，光谱发射率值趋于稳定。在整个加热过程中，Al6061的光谱发射率始终大于Al5052，该现象正好与673K时的相反。这说明在温度较低时，Al6061的光谱发射率值较小，但当温度较高时，Al6061表面的光谱发射率较大。该现象也可以从图3看出，Al6061在温度大于700K后，光谱发射率增速明显加大。造成这种现象的主要原因是Al6061合金含有较多成分的Si和Fe，当温度大于700K时，合金表面会生成一层氧化铁等组分的氧化膜，导致其表层光泽明显不如Al5052。因此，Al6061在高温时的光谱发射率大于Al5052，在低温时，光谱发射率相差很小。由此可以看出，合金掺杂成分不同，其光谱发射率会存在很大差别。

图5 Al5052和Al6061在温度773K持续加热5h的光谱发射率Fig. 5Variations of normal spectral emissivity at 773K for5h

图6 Al5052和Al6061在温度873K持续加热10h的光谱发射率Fig. 6Variations of normal spectral emissivity at 873K for10h

四、结论

通过对大气环境中Al5052和Al6061样品在波长1.55μm处表面光谱发射率进行测量，研究了温度和加热时间对其光谱发射率的影响。研究结果表明：在300 K至873 K之间，随着温度的升高，Al5052和Al6061的光谱发射率呈线性关系增大，所测结果可以用线性关系进行拟合，该公式对于校正单波长辐射测温仪具有一定的参考价值。

加热时间对光谱发射率的影响在不同温度处差异很大，在低温时，Al5052的光谱发射率整体上大于Al6061。在高温时，由于受掺杂成分的影响，Al6061的光谱发射率整体上要大于Al5052。尽管Al5052与Al6061的成分也非常相近，但是其光谱发射率却有着非常大的差异，在辐射测温过程中，如果近似认为其光谱发射率是定值，其测温结果必将造成非常大的误差。本研究将进一步丰富了铝合金的光谱发射率数据，为工业上利用辐射测温技术测量铝合金温度提供了实验依据。

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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计划2013-4，贵州省科学技术基金黔科合J字[2012]2325和贵州省教育厅自然科学基金重点项目（黔教科2010089）资助的课题。

王文宝（1958— ），男，河南辉县人，兴义民族师范学院物理与工程技术学院教授，主要从事物理教学和材料科学方面的研究。

责任编辑：杨合成