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。
參考文獻
[1]沈英姬.鈦及鈦合金中氫含量測試方法研究[J].山東化工,2021,50(2):99-100+104.
[2]王超明.第一性原理研究鈦合金的氫脆機理[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2023.
[3]孫泰禮,湯赫男,李啟東,等.航空航天用鈦合金的切削加工性研究[C]//Intelligent information technology application association. Proceedings of 2011 international conference on aerospace engineering and information technology(AEIT2011). International Industrial Electronic Center, 2011:298-302.
[4]喬良,丁貝,李赟.基于有限元法對鈦合金應(yīng)力強度因子的研究[J].兵器材料科學(xué)與工程,2013,36(4):45-48.
[5]安仲生,陳巖,趙巍.2022年中國鈦工業(yè)發(fā)展報告[J].鋼鐵釩鈦,2023,44(3):1-8.
[6]趙丹丹. 鈦合金在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用[ J ] . 鑄造,2014,63(11):1114-1117.
[7]何蕾. 鈦合金在航空領(lǐng)域的市場展望[ J ] .金屬世界,2015(5):4-7.
[8]郭紅軍.日新月異的航空金屬材料[J].大飛機,2015(4):22-25.
[9]張毅,劉攀,孟秋達(dá)等.基于惰氣熔融-紅外法的鎳助熔劑法和錫浴法測定鈦及鈦合金中氫的方法對比[J].冶金分析,2022,42(2):70-75.
[10]朱躍進,李素娟,鄧羽.樣品制備對金屬中微量氧、氮、氫分析結(jié)果的影響[J].冶金分析,2008(8):40-43.
[11]金屬材料中氫、氧、氮、碳和硫分析方法通則:GB∕T14265—2017 [S].2017.
[12]韓麗輝.影響鋼中氧氮含量測定結(jié)果的因素分析[J].室驗技術(shù)與管理,2016,33(7):33-39.
[13]趙飛,楊軍紅,翟通德,等.惰氣脈沖熔融熱導(dǎo)法測定鈮鈦合金中氫含量[J].中國無機分析化學(xué),2017,7(2):15-17.
[14]劉文玖.鋼鐵材料中氧氮氫的測定分析[J].世界有色金屬,2015(12):53-54.
[15]海綿鈦、鈦及鈦合金化學(xué)分析方法 氫量的測定:GB/T4698.15—2011 [S]. 2011.
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)