脈沖加熱-熱導(dǎo)法測定高鋅鋁合金中氫含量

趙 洋 王 強 張克順

(北京航空材料研究院，北京 100095)

鋁合金是應(yīng)用廣泛的一類結(jié)構(gòu)材料，它在航空、汽車、機械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量使用。隨著近年來科學(xué)技術(shù)以及空間工業(yè)的飛速發(fā)展，鋁合金的需求量日益增大，因此鋁合金的性能研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進了鋁合金冶煉技術(shù)的發(fā)展，同時冶煉技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金在航空、航天上的應(yīng)用正成為研究的熱點之一。 鋁合金中的氫含量對材料性能影響較大,特別作為航空材料,氫含量必須嚴格控制，否則會導(dǎo)致冶金缺陷和氫脆現(xiàn)象的發(fā)生，其中氫脆現(xiàn)象會給鋁合金的性能帶來較大影響，使鋁合金的使用性能大幅度下降。

筆者對北京航空材料研究院生產(chǎn)的某型高鋅鋁合金測定過程中試樣制備、取樣量以及加熱功率的選擇對測定結(jié)果的影響進行了探討。目前可以借鑒的鋁合金中氫含量的測定方法均是針對老式定氫儀，這些方法具有操作復(fù)雜取樣量較小(0～2.0 g)等缺點；而RHEN602定氫儀是美國力可公司專門用于鋁合金中氫含量分析的測試設(shè)備，該設(shè)備精密度高，采用聯(lián)合分析程序，稱樣量(0～6.0 g)大于老式儀器，由于鋁合金中氫含量較低，因此稱樣量增大可以使測得的數(shù)值更加精確。

1 氫含量測定的原理

RHEN602定氫儀采用脈沖加熱-熱導(dǎo)法測定氫含量，用高純氬氣作為載氣，工業(yè)氮氣作為動力氣。測定過程中采用聯(lián)合分析程序(Combined Analysis),即用低溫分析程序測定表面氫，用高溫熔化分析程序測定體積氫。高溫加熱后氫被釋放到載氣氣流中并通過熱導(dǎo)池檢測，最終計算機通過噪音(背景)消除后的釋出峰面積進行積分,積分結(jié)果經(jīng)過校準、質(zhì)量補償、空白補償,最后測量結(jié)果以μg/g或百分數(shù)的形式報出。

2 實驗部分

2.1 主要儀器與材料

定氫儀:RHEN602型，美國LECO公司；

標準物質(zhì)：編號為GBW(E)020030，氫含量(0.19±0.04) μg/g，北京航空材料研究院；

高鋅鋁合金試樣:北京航空材料研究院。

2.2 試樣加工

根據(jù)鋁合金中氫含量低以及RHEN602定氫儀進樣機構(gòu)的特點，將樣品加工成直徑為6.5～8.5 mm,長度為 15～30 mm的圓棒。試樣精車過程中車床的轉(zhuǎn)速、進刀量、走刀速度以及車削次數(shù)都會對測量結(jié)果造成影響，因此要精心選擇，試樣加工過程中應(yīng)注意以下事項:

(1)試樣加工前要用乙醚或者丙酮清洗所用刀具及試樣表面；

(2)將試樣一端夾入,另一端應(yīng)露出適當?shù)拈L度，然后進行加工,試樣前端必須切去；

(3)試樣表面切削深度大于0.2～0.4 mm；

(4)試樣加工過程中不能使用冷卻液,不能用手接觸已加工好的試樣表面；

(5)切削車速應(yīng)不大于750 r/min,進刀量不大于0.2 mm,走刀速度約0.04 mm/r。

2.3 試樣清洗

將精車試樣放入乙醚或丙酮中清洗，然后放在通風(fēng)櫥中使其表面自然風(fēng)干。試樣清洗完畢后應(yīng)盡快進行測氫分析,在空氣中放置時間以不超過1 h為宜。

3 結(jié)果與討論

3.1 分析條件的確定

稱樣量的大小和體積氫加熱功率的選擇都會對測定結(jié)果的準確性產(chǎn)生較大影響，因此以下主要對稱樣量和體積氫加熱功率進行研究。

(1) 表面氫分析功率

經(jīng)長期試驗確定，加熱功率為850～900 W時，能確保高鋅鋁合金中表面氫的釋出，從而減小對體積氫測定的影響，故表面氫分析功率設(shè)定為900 W。

(2) 體積氫加熱功率

鋁合金中的鋅具有揮發(fā)性，測量體積氫時若加熱功率較低氫釋放不完全；體積氫加熱功率過高，會造成鋅揮發(fā)形成對氫的吸附，使體積氫測量時出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，因此體積氫加熱功率過低或者過高都會對測量結(jié)果帶來影響。

①加熱功率初步試驗

通過不同的體積氫加熱功率試驗，初步確定實際樣品體積氫測定加熱功率的大致范圍，見表1。

表1體積氫加熱功率的初步選擇

加熱功率/W熔化情況≤950不熔≤1100初熔峰形時好時壞1150～1350全熔,峰形正?；緹o揮發(fā)物,試樣熔化后可倒出1400全熔,峰形正常揮發(fā)物較多,有滲碳現(xiàn)象

根據(jù)表1結(jié)果及出峰情況判斷，當體積氫加熱功率在1 100～1 400 W之間時氫釋放完全。

②體積氫加熱功率的驗證試驗

通過不同體積氫加熱功率試驗，初步確定標準物質(zhì)GBW(E)020030體積氫測定加熱功率的大致范圍，試驗結(jié)果列于表2。

表2體積氫加熱功率的驗證試驗結(jié)果

加熱功率/W測定值/μg·g-1熔化情況11500.09 0.08試樣剛剛有熔化跡象12000.12 0.13 0.12微熔,峰形不好13500.18全熔,峰形正常,基本無揮發(fā)物,試樣熔化后可倒出14000.20全熔,峰形正常,揮發(fā)物較臟,有滲碳現(xiàn)象

注：標準物質(zhì)選用GBW(E)020030，體積氫含量(0.19±0.04)μg/g。

由表2可以確定，標準物質(zhì)體積氫加熱功率在1 200～1 400 W之間氫釋放完全。為了進一步確定分析條件選取1 250、1 300、1 350 W 3個功率進行試樣重復(fù)性試驗，結(jié)果見表3。

由表3可知，加熱功率在1 250、1 300、1 350 W時能夠?qū)υ嚇舆M行較好地測量。當體積氫加熱功率為1 350 W時，試樣測定結(jié)果穩(wěn)定，相對標準偏差最小，即重復(fù)性最好。

表3最佳體積氫加熱功率的確定

加熱功率/W測定值/μg·g-1平均值/μg·g-1標準偏差/μg·g-1RSD/%12500.1340.1400.1260.1510.1470.140.0107.16513000.1160.1230.1340.1220.1340.130.0116.46413500.1320.1450.1510.1330.1450.140.0085.985

(3) 稱樣量

以1 350 W為例，進行稱樣量試驗，結(jié)果見表4。由表4可知，最佳稱樣量范圍為2.0～4.0 g。在此范圍內(nèi)， 測定結(jié)果的相對標準偏差較小，說明測定結(jié)果穩(wěn)定性好。

表4 不同稱樣量對體積氫測定結(jié)果的影響

3.2 精確度試驗

在加熱功率為1 350 W，稱樣量為2.0～3.0 g條件下，對標準物質(zhì)GBW(E)020030進行測定，結(jié)果見表5。

表5 標準物質(zhì)分析結(jié)果

由表5可知，當加熱功率為1 350 W、稱樣量為2.0～3.0 g時，標準物質(zhì)的測定結(jié)果平均值為0.19 μg/g，相對標準偏差為4.8%，表明標準物質(zhì)測定結(jié)果穩(wěn)定，重復(fù)性好。

3.3 實際樣品測定

在加熱功率為1 350 W，稱樣量為2.0～3.0 g條件下，對實際樣品進行測定，結(jié)果見表6。

表6 實際樣品分析結(jié)果

由表6可知，在選定的實驗條件下，實際樣品測定結(jié)果的平均值為0.16 μg/g，相對標準偏差為5.798%，表明實際樣品測定結(jié)果穩(wěn)定，重復(fù)性好。

4 結(jié)論

(1)確定了高鋅鋁合金的稱樣量、表面氫和體積氫加熱功率；

(2)通過試驗確定了高鋅鋁合金氫含量的測定方法,方法測定結(jié)果重復(fù)性好；

(3)應(yīng)用RHEN602定氫儀對鋁系其它合金氫含量的測定方法仍在探索研究中。

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