真空热扩渗动力学方程参数原位测量的传感器模型
                                                                                                       学校名称：哈尔滨工业大学
                                                                                                                                       参赛选手 ：王一亨、朱磊、杨莹、胡惠、汤卓夫
                                                                                                        指导老师：张雁祥、闫扶摇
                                                                                                作品形式：论文/专利

作品简介
以真空渗碳/渗氮为代表的热扩渗是装备关键动部件抗疲劳制造的核心技术，热扩渗层厚度、浓度分布和组织结构的精确控制取决于渗入元素的扩散系数 D 和表面传递系数  。然而，对扩渗过程以及动力学参数的表征仍面临两难瓶颈：1）过程的原位表征难且非原位实验操作繁琐；2）动力学参数基础数据缺失。因此，本文源于真空渗碳/渗氮原理，试图提出一种基于电导弛豫法（ECR）原位测量热扩渗方程动力学参数的传感器模型，以纯扩散、表面传递及混合扩散控制相关联的 Biot 数表征热扩渗样品的薄厚，以热扩渗过程中样品电导率随时间
的变化（弛豫）表征样品质量变化，通过电导弛豫的阻抗谱模型，判定 Biot 数与扩散机制，进而得到 D 和  的数值。该模型为原位测量真空热扩渗动力学方程参数传感器的构建奠定了理论基础与可行性，相关成果已形成发明专利和论文。作品主要内容及创新点
  （1）通过基于真空热扩渗物理模型的电导弛豫阻抗谱数学模型分析，明确了阻抗谱频域曲线形状与表征扩渗控制机制的 Biot 数的直接关系。基于阻抗谱形状可实现真空热扩渗控制机制的高分辨率判断。
  （2）在该模型的基础上，进一步通过物理模型在渗剂浓度的非理想弛豫切换影响下的分析，明确了阻抗谱频域曲线形状与切换时间的直接关系。基于阻抗谱可实现真空热扩渗渗剂浓度切换时间与动力学参数 D 和  三参数的同时测量。
  （3）通过向电导弛豫曲线中添加白噪声模拟实验中的未知噪声，提出一种基于特征时间分布（DCT）的阻抗谱计算方法提高了阻抗谱分析拟合的稳健性，相比传统的电导弛豫分析法拟合结果的精确度更高。为以电导弛豫阻抗谱为原理的传感器模型在真实实验中的可靠应
用提供了分析基础。

        基于真空热扩渗的电导弛豫阻抗谱与置信区间：(a)三种扩渗控制机制的阻抗谱（从左到右依次为 Bi≪1 的表面传递控制；Bi=1 的混合控制；Bi≫1 的纯扩散控制）；(b)渗剂浓度切换时间影响下的阻抗谱（从左到右依次为换气时间τ f =0s、1s 和 5s）；(c)ECR 分析法与基于 DCT 的电导弛豫阻抗谱分析法置信区间