因素條件對紅外吸收法測試鈦合金中氫含量的影響

摘 要：本文采用脈沖爐惰性氣體熔融紅外吸收法測試鈦合金中氫含量。研究樣品處理方式、樣品放置時間、樣品存儲方式、超聲時間、樣品清洗劑種類、分析功率、助熔劑用量7種因素條件對鈦合金氫含量測試的影響。確定了紅外吸收法測試鈦合金中氫含量的試驗條件：精密車床或者酸洗處理樣品，采用丙酮或者無水乙醇超聲清洗試樣1min，冷風(fēng)吹干后室溫密封保存，采用分析功率3500 W、半片錫片助熔劑，盡量4 h內(nèi)分析完試樣，實現(xiàn)了紅外吸收法測定鈦及鈦合金中氫含量測試，測定結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度范圍內(nèi)，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于4％（RSD，n =6的分析結(jié)果），同時采用該方法測定鈦及鈦合金樣品的氫含量具有操作簡便、測試效率高、成本低、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：鈦及鈦合金，紅外法，氫含量，方法研究

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.14.028

0 引 言

鈦合金是一種強度高、耐蝕性好、耐熱性高的結(jié)構(gòu)金屬[1]，主要用于制造飛機發(fā)動機壓氣機部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件。鈦合金于20世紀(jì)50年代發(fā)展起來，20世紀(jì)50至60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和機體用的結(jié)構(gòu)鈦合金。70年代，開發(fā)出一批耐蝕鈦合金。80年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發(fā)展[2-8]。

氫在鈦合金中屬于有害元素，鈦合金在加工和使用過程中容易吸氫，這會引起氫脆性[9]。氫脆性是指鈦合金在含氫環(huán)境中，其強度和塑性急劇降低，易發(fā)生裂紋和斷裂的現(xiàn)象。這是由于氫原子在鈦晶格中擴散并堆積，導(dǎo)致鈦合金中氫含量的增加，從而降低了其機械性能，因此嚴(yán)格控制鈦合金中氫含量是非常有意義的?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 4698.15—2011、 ASTME1447-22，以及文獻《鈦及鈦合金中氫含量測試方法研究》中對于測試過程中的因素條件闡述的不夠全面或者細(xì)節(jié)未提及到，導(dǎo)致測試過程繁瑣不夠高效、快捷。影響金屬材料氣體元素含量測定準(zhǔn)確性[10]和高效快捷的主要因素有試樣制備方式[11]、樣品清洗、助熔劑用量、樣品處理后存放時間、分析功率，為準(zhǔn)確、高效快捷測定金屬材料氣體元素含量，需要對以上因素條件進行實驗分析。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

氧氮氫分析儀（L e c o ON H83 6）；高純石墨套坩堝；高純氦氣（純度9 9 . 9 9 %以上）；無水乙醇；丙酮；四氯化碳；錫片（北京有色金屬研究總院研制）；標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)5 0 2 - 9 4 7，氫含量為：0 . 0 014±0 . 0 0 0 4%；標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)5 0 3 -521，氫含量為：0.0 017±0.0 0 03%；標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)50 2-891，氫含量為：0.0103±0.0 0 0 7%；酸洗液（3份硝酸+1份氫氟酸）。

1.2 實驗方法

實驗采用氧氮氫836（Leco）分析儀是基于紅外吸收法測試氫含量[12-15]。試樣加工處理成均勻的塊狀或棒狀，經(jīng)有機試劑超聲清洗吹干，用錫片做助熔劑，試樣置于電極脈沖爐的石墨坩堝中，在惰性氣體保護下熔融試樣，試樣中氫以分子態(tài)釋放并進入載氣流中，經(jīng)過熱的氧化銅催化劑轉(zhuǎn)化為水，使用紅外檢測池檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品處理方式對測試結(jié)果的影響

采用鈦合金試樣A（牌號TC4）、試樣B（牌號TA15）進行試驗，用精密車床車削、銼刀打磨、酸蝕三種處理方式，樣品處理后經(jīng)丙酮清洗吹干進行試驗，結(jié)果見表1。由表1可見，精密車床車削、銼刀打磨、酸蝕3種處理方式均可準(zhǔn)確測量鈦合金中氫含量，測試結(jié)果符合GB/T 4698.15—2011方法再現(xiàn)性要求，都可用來對樣品進行處理。對于測試氫的樣品優(yōu)先采用精密車床加工處理，這種方式節(jié)省人力和時間；對于測試氫不規(guī)則品（車床不好加工處理），可以采用酸蝕的處理方式。

2.2 樣品放置時間對測試結(jié)果的影響

將鈦合金試樣A（牌號T C 4）、試樣B（牌號TA15）進行打磨處理，將試樣剪成合適的大小，方案一：將試樣經(jīng)丙酮清洗后吹干封口膜密封放置1 h、2 h、4 h后進行試驗分析；方案二：試樣經(jīng)丙酮清洗后，重新倒入丙酮覆蓋試樣放置1 h、2 h、4 h后進行試驗分析，結(jié)果見表2。由表2可見，樣品放置時間相同時，室溫放置和存放在丙酮中樣品測試結(jié)果均可準(zhǔn)確測試鈦合金中氫含量；處理方式相同時，不同放置時間樣品測試結(jié)果均可準(zhǔn)確測試鈦合金中氫含量；測試結(jié)果符合GB/T 4698.15—2011方法再現(xiàn)性限要求，都可以對樣品進行處理。對于大批量鈦合金測試時可以一次處理多個樣品，清洗后的樣品用封口膜密封保存，避免不同季節(jié)濕度對其結(jié)果造成影響，減少樣品處理時間，提高測試效率。

2.3 樣品超聲時間對測試結(jié)果的影響

將鈦合金試樣A（牌號TC4）進行打磨處理，將試樣剪成合適的大小，用丙酮超聲1 min、3 min、5min吹干試試驗分析，結(jié)果見表3。由表3可見，不同超聲時間均可準(zhǔn)確測試鈦合金中氫含量，鈦合金樣品超聲清洗時可采用1 min左右，超聲時間太長會影響試驗效率。

2.4 樣品清洗試劑對測試結(jié)果的影響

對試樣B（牌號TA15）進行打磨處理，將試樣剪成合適的大小，用丙酮超聲1 min、無水乙醇超聲1 min、四氯化碳超聲1 min吹干試驗分析，結(jié)果見表4。由表4可見，用丙酮、乙醇、四氯化碳三種清洗劑均可準(zhǔn)確測試鈦合金中氫含量。無水乙醇作為清洗劑優(yōu)點是毒性小，缺點是揮發(fā)性比丙酮差，吹干時間長，四氯化碳作為清洗劑毒性大、揮發(fā)性差，因此鈦合金清洗樣品時優(yōu)先采用丙酮。

2.5 分析功率對測試結(jié)果的影響

在分析功率3000 W、3500 W、4000 W下測試標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)502-947、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)503-521、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)502-891，測試結(jié)果見表5。由表5可見，分析功率過低時高含量的測試結(jié)果會偏低，原因是分析功率低導(dǎo)致石墨坩堝內(nèi)溫度不夠，樣品中氫析出不完全。分析功率過高時，雖然測試結(jié)果滿足要求但是功率過高會造成能源浪費，因此采用分析功率3500 W，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于4％（RSD，n =6）精密度良好。

2.6 助熔劑用量對測試結(jié)果的影響

在分析功率3500 W、采用一個錫片、半個錫片對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)502-947、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)503-521、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)502-891進行測試分析，測試結(jié)果見表6。由表6可見，一個錫片和半個錫片均可準(zhǔn)確測試鈦合金中氫含量，日常測試鈦合金氫含量可以采用半個錫片作為助熔劑，節(jié)約測試成本。

2.7 方法的準(zhǔn)確度與精密度

使用石墨套坩堝、功率3 5 0 0 W、脫氣功率40 0 0W、時間70S、半個錫片作為助熔劑條件下測試標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)502-947、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)503-521、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)502-891，測試結(jié)果見表7。由表7可見，測試結(jié)果氫的 RSD 小于4％（n =6），測定結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度范圍內(nèi)，說明該方法的準(zhǔn)確度良好。

3 結(jié) 語

通過考察處理方式、樣品放置時間、樣品存儲方式、超聲時間、樣品清洗劑種類、分析功率、助熔劑用量7種因素條件對鈦合金氫測試的影響，建立了準(zhǔn)確測量鈦合金中氫方法。使用精密車床車削處理樣品，丙酮超聲清洗1 min，采用半片錫片做助熔劑，分析功率3500 W測試氫含量，該方法操作驟快捷單，測試成本低，測試效率高，方法的RSD為1.3%～3.4%，精密度及準(zhǔn)確度好，是一種高效、環(huán)保、經(jīng)濟效益高、準(zhǔn)確可靠的測試方法。

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作者簡介

郭飛，本科，工程師，研究方向為有色金屬成分分析。

劉凱，通信作者，碩士，高級工程師，研究方向為有色金屬成分分析。

（責(zé)任編輯：袁文靜）