基于微束X射線熒光光譜的新型鑄&鍛GH4096合金渦輪盤成分分布解析

彭 涯，李冬玲，萬(wàn)衛(wèi)浩，周晴晴，蔡文毅，李福林，劉慶斌，王海舟

1.鋼鐵研究總院，北京 100081 2.鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，北京 100081 3.金屬材料表征北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 4.北京科技大學(xué)，北京 100083

引 言

隨著我國(guó)航空工業(yè)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比(推力/重力)也在逐步提高，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的選材、制備工藝、材料性能也提出了更加苛刻的要求[1]。采用電渣重熔連續(xù)定向凝固(ESR-CDS)和3D整體鍛造、模鍛相結(jié)合的工藝路線，制備的鑄&鍛GH4096高溫合金渦輪盤具有高純凈、高使用溫度、高強(qiáng)度、低裂紋擴(kuò)展速率、高抗疲勞性能等優(yōu)異性能，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠性[2-3]。由于材料合金化程度更高、渦輪盤尺寸大，制備工藝復(fù)雜，不同位置區(qū)域在熱處理或變形過程中存在著溫度場(chǎng)或應(yīng)變不均勻等問題，可能會(huì)產(chǎn)生顯微成分偏析和顯微組織的不均勻性，造成渦輪盤從輪轂到輪緣、上表面到下表面不同位置處性能的波動(dòng)，對(duì)渦輪盤的服役性能帶來(lái)一定程度的影響[4-5]。所以建立一種大尺寸新型鑄&鍛GH4096高溫合金渦輪盤的高通量、跨尺度的成分分布分析方法，將有利于我們掌握渦輪盤不同區(qū)域各元素分布情況，為建立工藝、成分和組織分布的相關(guān)性和優(yōu)化渦輪盤制備工藝流程提供了有效依據(jù)。

在現(xiàn)有成分分布定量表征研究中，電子探針顯微分析技術(shù)、掃描電鏡與能譜儀結(jié)合的方法都可得到材料微區(qū)的顆粒邊界形貌以及成分分布，但由于可測(cè)量視場(chǎng)有限，所得結(jié)果無(wú)法代表大尺寸構(gòu)件的成分分布[6-8]；激光誘導(dǎo)擊穿光譜法(LIBS)可較好地得到塊體材料較大區(qū)域內(nèi)成分分布信息，但存在邊緣燒蝕效應(yīng)、空間分辨率相對(duì)較低等缺點(diǎn)[9-10]；火花源原子發(fā)射光譜原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)(OPA)可以完成大尺寸范圍塊體金屬的成分狀態(tài)分布分析，但存在激發(fā)斑點(diǎn)較大、對(duì)材料存在損害的問題，不利于保護(hù)樣品且無(wú)法對(duì)同一位置重復(fù)測(cè)量[11-12]。隨著X射線分析技術(shù)的不斷發(fā)展，將X射線源與聚焦毛細(xì)管透鏡相結(jié)合的微束X射線熒光光譜(μ-XRF)開始進(jìn)入成分分布表征領(lǐng)域。該技術(shù)具有微區(qū)分辨率高、分析速度快、多元素同步分析且無(wú)損等優(yōu)勢(shì)，目前被廣泛應(yīng)用于考古、生物、地質(zhì)等研究領(lǐng)域[13]，但由于X射線熒光光譜在復(fù)雜高溫合金體系中存在著譜鋒重疊、基體效應(yīng)干擾嚴(yán)重等問題，所以針對(duì)大尺寸高溫合金體系的的成分分布表征研究較少。

本文建立了基于微束X射線熒光光譜的新型鑄&鍛GH4096合金渦輪盤成分分布分析方法，并參照金屬原位通則國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24213—2009對(duì)渦輪盤中Cr，Co，Mo，W，Ti，Al，Nb和Ni八種主量元素進(jìn)行了原位統(tǒng)計(jì)分析分布解析，獲得了渦輪盤徑向及厚度方向的成分分布規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品

實(shí)驗(yàn)樣品為通過電渣重溶連續(xù)定向凝固+3D整體鍛造+模鍛工藝制備的大尺寸鎳基變形GH4096合金渦輪盤[如圖1(a)所示]。為探究鑄&鍛工藝中渦輪盤從輪轂到輪緣的成分分布變化情況，沿渦輪盤徑向上取一塊厚度約15 mm的切片[圖1(b)]，將表面拋光成鏡面，酒精擦拭干凈，待測(cè)[切片測(cè)量區(qū)域如圖1(b)所示]。

圖1 渦輪盤形貌圖

1.2 儀器及條件

實(shí)驗(yàn)采用Bruker Nano GmbH生產(chǎn)的高性能微束X射線熒光光譜儀(M4 TORNADO)對(duì)大尺寸鎳基鑄&鍛GH4096合金渦輪盤切片進(jìn)行元素定量及分布表征。其儀器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中X光管采用靶材為銠靶，X射線束斑尺寸為20 μm；探測(cè)器為硅漂移探測(cè)器，有效面積為30 mm2；并采用多導(dǎo)毛細(xì)管透鏡實(shí)現(xiàn)了X射線光源的聚焦，極大的提高了譜線強(qiáng)度峰背比，增大了分辨率。測(cè)量條件為：X射線光管電壓為50 kV；電流為150 μA；樣品面掃描時(shí)束斑掃描間距為70 μm；每像素采集時(shí)間為60 ms，儀器所用真空度為20.0 mba；樣品掃描區(qū)域位于渦輪盤中心區(qū)域且面積為175 mm×34 mm；并采用鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司研制的金屬原位分析儀(OPA-200)對(duì)同區(qū)域多列定點(diǎn)分析，對(duì)微束熒光光譜儀所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖2 微區(qū)X射線熒光光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 微束X射線熒光光譜面掃描條件的選擇

采用微束X射線熒光光譜儀對(duì)大尺寸樣品進(jìn)行面掃描時(shí)，為了保證定量結(jié)果的可靠性，需要對(duì)儀器的采集參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得各元素較高的峰背比。本試驗(yàn)考察了不同的管電壓和管電流對(duì)各元素峰背比的影響規(guī)律。掃描區(qū)域?yàn)闃悠分胁康? mm×2 mm區(qū)域，不同電壓或電流測(cè)量條件的峰背比結(jié)果如圖3所示?？芍谝欢ǚ秶鷥?nèi)，Cr，Co，Mo，W，Ti，Nb和Ni元素的峰背比隨著電壓的升高逐漸增大，隨著電流的升高峰背比先增大后減小，Al元素峰背比隨電壓升高而降低，是因?yàn)楦唠妷合虏焕谳p元素的測(cè)量，綜合考慮對(duì)所有元素最佳測(cè)量結(jié)果，當(dāng)X射線光管電壓為50 kV、電流為150 μA時(shí)各元素測(cè)量效果較好。最終測(cè)量條件為X射線光管電壓為50 kV；電流為150 μA；樣品面掃描時(shí)束斑掃描間距為70 μm；每像素采集時(shí)間為60 ms，儀器所用真空度為20.0 mba。

圖3 X射線光管不同測(cè)量電壓和電流下峰背比

2.2 微束X射線熒光光譜定量方法的優(yōu)化

在使用微束X射線熒光光譜對(duì)大尺寸鑄&鍛GH4096復(fù)雜高溫合金體系進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于存在著多種高含量合金元素，會(huì)存在較為復(fù)雜的干擾效應(yīng)如背景噪聲干擾、譜峰重疊與元素吸收增強(qiáng)效應(yīng)(基體效應(yīng))等。對(duì)渦輪盤剖面進(jìn)行面掃描后得到的熒光光譜圖如圖4所示。

圖4 大尺寸鑄&鍛GH4096切片面掃后X射線熒光光譜圖

由譜圖可知Ni元素的Kβ1線系能量值為8.265 keV，與W元素能量值為8.398 keV的定量分析線系Lα1十分接近，存在明顯的譜鋒重疊干擾。同時(shí)當(dāng)樣品中受激元素分析譜線的能量大于某一共存元素的譜線激發(fā)能時(shí)，該共存元素也會(huì)強(qiáng)烈吸收分析譜線得到額外激發(fā)，在復(fù)雜元素體系中此類元素吸收或增強(qiáng)效應(yīng)干擾也是無(wú)法避免的。本實(shí)驗(yàn)為解決元素定量中的譜線干擾，采用了影響因子系數(shù)校準(zhǔn)法，采用多塊與渦輪盤組成元素接近的高溫合金塊狀光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品(表1)在同等測(cè)量條件下進(jìn)行面掃描分析，測(cè)定區(qū)域?yàn)? mm×2 mm。

表1 高溫合金光譜參考物質(zhì)的化學(xué)成分(ω/%)

由儀器定量結(jié)果與化學(xué)成分分析結(jié)果的相關(guān)性曲線結(jié)果可知，Cr，Co和Mo的擬合曲線的斜率接近于1，與化學(xué)值的偏差不超過5%。W和Ti的斜率略高，但偏差也沒有超過10%，這些元素的擬合曲線的斜率可以作為校正因子對(duì)儀器定量方法進(jìn)行校準(zhǔn)。而Al和Nb的擬合曲線斜率值與1存在較大偏差，這主要是由于Al元素原子序數(shù)較小，產(chǎn)生的X射線熒光強(qiáng)度較低，而渦輪盤中Nb的含量也較低，所選的光譜標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)含量梯度不合適所致，因此選擇了一個(gè)已知準(zhǔn)確化學(xué)成分且分布均勻的GH4069合金塊狀樣品作為類型控制樣品，對(duì)其定量方法進(jìn)行了進(jìn)一步修正，最終測(cè)定的掃描面的總體平均含量與化學(xué)法測(cè)定的結(jié)果如表2所示?？芍褂脙?yōu)化后的定量方法測(cè)得值與化學(xué)法定量值基本一致，無(wú)較大偏差，證明了此方法的準(zhǔn)確性、可靠性。

表2 GH4096渦輪盤的化學(xué)法測(cè)定結(jié)果與微區(qū)X射線熒光光譜測(cè)定結(jié)果(ω%)

2.3 渦輪盤縱剖面各元素成分定量統(tǒng)計(jì)分布分析結(jié)果

對(duì)大尺寸鎳基變形GH4096合金渦輪盤切片從輪轂到輪緣的175 mm×34 mm面積區(qū)域進(jìn)行面掃描分析，并采用優(yōu)化后的定量方法對(duì)各元素進(jìn)行定量分析，成分分布圖如圖5所示。結(jié)果表明，渦輪盤從輪轂到輪緣的部分元素的含量分布情況存在著一定程度的差異，其中Co，Cr，Mo，Ni和Ti元素在渦輪盤切片厚度中心區(qū)域存在弧狀偏析帶，且偏析帶位置比較接近，Co，Mo和Ti在偏析帶上含量較低，Ni和Cr在偏析帶的含量較高，而W，Nb和Al三種元素未發(fā)現(xiàn)明顯偏析帶。

圖5 渦輪盤各元素百分含量二維分布圖

參照金屬原位通則國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24213—2009中對(duì)面分布得到的各元素不同位置處的含量數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)分布解析，其中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表1 mm×1 mm微區(qū)的元素平均含量，最終獲得了5 312個(gè)微區(qū)的元素平均含量，并繪制了元素含量頻數(shù)分布圖(圖6)，獲得了整個(gè)掃描區(qū)域內(nèi)各元素的最大偏析度、統(tǒng)計(jì)偏析度、在材料成分設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)符合度等定量統(tǒng)計(jì)參數(shù)，結(jié)果如表3所示。其中統(tǒng)計(jì)偏析度是指該元素95%置信度下，以含量中位值為中心的含量置信區(qū)間[c1,c2]的統(tǒng)計(jì)偏析度S，其計(jì)算公式見式(1)，當(dāng)統(tǒng)計(jì)偏析度越大偏析越嚴(yán)重，統(tǒng)計(jì)偏析度為0時(shí)則無(wú)偏析。由圖7可知渦輪盤中大部分元素的含量分布均呈現(xiàn)良好的正態(tài)分布，但Co元素譜圖在左側(cè)出現(xiàn)了一些拖尾，導(dǎo)致了其分布圖形的不對(duì)稱，這是由于Co元素在分析區(qū)域存在的一些負(fù)偏析點(diǎn)造成的。一些高含量元素Ni，Cr和Co的統(tǒng)計(jì)偏析度均小于1%，Mo，W和Ti的統(tǒng)計(jì)偏析度也沒有超過2%，說明渦輪盤整體元素分布均勻性較好，雖然部分元素在厚度中心區(qū)域存在一些偏析帶，但這些偏析帶是一個(gè)狹長(zhǎng)的窄偏析帶，對(duì)全區(qū)域元素含量統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果影響不大。從各元素含量的最大和最小值數(shù)據(jù)可以看出，除了Al之外，所有含量數(shù)據(jù)均在渦輪盤成分設(shè)計(jì)的允許范圍之內(nèi)，其統(tǒng)計(jì)符合度均為100%。Al元素的含量波動(dòng)主要是由熒光光譜本身的一些局限性造成的，由于其原子序數(shù)低，熒光產(chǎn)額低，在面掃描分析是獲得的熒光凈強(qiáng)度低，因此信號(hào)波動(dòng)較大，但通過擴(kuò)大每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的覆蓋區(qū)域，獲得更高的累計(jì)信號(hào)強(qiáng)度后，Al的含量波動(dòng)會(huì)有所減小。當(dāng)統(tǒng)計(jì)的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)區(qū)域尺寸增大至5 mm時(shí)，全區(qū)域內(nèi)Al含量的最小值變?yōu)?.04%，最大值變?yōu)?.29%，同樣位于渦輪盤成分設(shè)計(jì)的允許范圍之內(nèi)，說明該渦輪盤整體的元素含量分布均符合設(shè)計(jì)要求。

表3 鎳基GH4096渦輪盤各元素面分布原位統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6 渦輪盤各元素不同百分含量頻數(shù)分布直方圖

S=(c1-c2)/2c0

(1)

式中：C0為含量中位值；C1和C2為含量置信區(qū)間的上下限。

2.4 渦輪盤縱剖面不同區(qū)域各元素含量分布規(guī)律

為進(jìn)一步探究渦輪盤掃描區(qū)域厚度方向的各元素含量變化規(guī)律，分別取如圖7所示X方向坐標(biāo)為44，88和132 mm附近的數(shù)據(jù)陣列進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)解析，從上至下將數(shù)據(jù)陣列分割成若干個(gè)30×15的小數(shù)據(jù)點(diǎn)陣，其中每個(gè)點(diǎn)陣代表2 mm×1 mm微區(qū)含量，求取每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)陣的各元素的平均含量，并繪制厚度方向每隔1 mm間距的元素含量的線分布圖，三個(gè)厚度方向的線分布圖如圖7所示?？芍?，三條線在距上表面約10～12，15～17和20～21 mm處Co和Mo有明顯含量降低的趨勢(shì)，而Ni和Cr則呈現(xiàn)含量增高的趨勢(shì)。Ti的低含量點(diǎn)的出現(xiàn)位置略有偏移。這一分布趨勢(shì)也與元素含量二維分布圖的結(jié)果一致，說明了這五種元素偏析帶客觀存在。

圖7 渦輪盤厚度方向各元素含量線分布圖

為探究元素橫向變化情況，對(duì)Y方向坐標(biāo)為18 mm附近的數(shù)據(jù)陣列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)解析，從左至右將數(shù)據(jù)陣列分割成若干個(gè)50×30的數(shù)據(jù)點(diǎn)陣，其中每個(gè)點(diǎn)陣代表3.50 mm×2.10 mm微區(qū)的含量，求取每個(gè)小微區(qū)的元素平均含量，并繪制從輪轂至輪緣方向的元素含量線分布圖，如圖8(b)所示，可知在距左側(cè)約103 mm處各元素含量存在較大波動(dòng)，此處二維分布圖中偏析帶位置重合。從輪轂至輪緣將全掃描區(qū)域平均分割為50個(gè)微小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的寬為3.50 mm，統(tǒng)計(jì)每個(gè)小區(qū)域的元素平均含量，并繪制從輪轂至輪緣區(qū)域的元素含量線分布圖，如圖8(d)所示?？芍獪u輪盤徑向也存在一定的成分梯度分布，Co，Cr和W三種元素含量從輪轂到輪緣呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，而Mo，Ti和Nb三種元素含量則呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)。這可能是由于在制備過程中，不同元素?cái)U(kuò)散程度不同或從輪轂到輪緣橫向方向上各元素的熱動(dòng)力學(xué)行為梯度變化造成的。

圖8 渦輪盤徑向各元素含量線分布圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證偏析帶的存在，以及部分元素在一定范圍內(nèi)的橫向整體變化趨勢(shì)的可靠性，使用金屬原位分析儀(OPA-200)對(duì)相同區(qū)域范圍進(jìn)行了線分布分析，采用的是OPA-200的定點(diǎn)分析模式，在每一列上每隔3 mm進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量，并采用了相同的高溫合金體系標(biāo)樣進(jìn)行繪線定量，其中厚度方向(Line-6)和徑向(Line-7)上各元素含量分布線分布圖如圖9所示?？芍诰鄿y(cè)量區(qū)域上沿約12 mm處Co，Cr，Mo，Ni和Ti五種元素含量出現(xiàn)較大變化，且元素含量變化趨勢(shì)與μ-XRF所測(cè)元素偏析帶變化趨勢(shì)保持一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了在測(cè)量區(qū)域內(nèi)偏析帶的客觀存在。同時(shí)從輪轂至輪緣區(qū)域，Co，Cr和W三種元素含量從輪轂到輪緣呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，而Mo，Ti和Nb三種元素含量則呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)，這也與μ-XRF法測(cè)量趨勢(shì)符合性較好，進(jìn)一步驗(yàn)證了μ-XRF法測(cè)量與統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。說明大尺寸渦輪盤在熱處理過程中存在溫度場(chǎng)分布，導(dǎo)致了各元素?cái)U(kuò)散行為以及顯微組織分布的差異，因此不同部位的成分也存在一定偏析。

圖9 OPA-200測(cè)得渦輪盤徑向各元素含量線性圖

3 結(jié) 論

(1)通過選擇合適的測(cè)量條件、優(yōu)化儀器定量方法，建立了基于微束X射線熒光光譜的新型鑄&鍛GH4096合金渦輪盤成分分布定量分析方法，并引入了原位統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)渦輪盤中Cr，Co，Mo，W，Ti，Al，Nb和Ni八種主要元素進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)分布解析。

(2)發(fā)現(xiàn)渦輪盤厚度的中心區(qū)域內(nèi)部分元素存在一定的偏析，其中Co，Mo和Ti三種元素從輪轂至輪緣存在弧形負(fù)偏析帶，而Ni和Cr兩種元素存在弧形正偏析帶，兩個(gè)偏析帶的位置接近。另外，渦輪盤徑向也存在一定的成分梯度分布，Co，Cr和W三種元素含量從輪轂到輪緣呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，而Mo，Ti和Nb三種元素含量則呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)

(3)獲得了整個(gè)掃描區(qū)域內(nèi)各元素的最大偏析度、統(tǒng)計(jì)偏析度、在材料成分設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)符合度等定量統(tǒng)計(jì)參數(shù)，可知渦輪盤中大部分元素的含量分布均呈現(xiàn)良好的正態(tài)分布，除Al元素外各元素的統(tǒng)計(jì)偏析度均小于2%，所有含量數(shù)據(jù)均在渦輪盤成分設(shè)計(jì)的允許范圍之內(nèi)，其統(tǒng)計(jì)符合度均為100%，說明該渦輪盤整體的元素含量分布均符合設(shè)計(jì)要求。