Ti80鈦合金光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制

趙教育，張亞娟，袁滿，張衛(wèi)國，李寧

（中國船舶重工集團(tuán)公司第十二研究所，陜西興平 713102）

Ti80鈦合金是專為艦船設(shè)計(jì)的一種具有高強(qiáng)耐蝕、易焊等優(yōu)質(zhì)性能的鈦合金牌號，被廣泛應(yīng)用于潛艇、魚雷、深潛器等水中兵器的受力構(gòu)件、螺栓、軸及耐壓耐蝕殼體［1］。Ti80鈦合金名義成分為Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，是一種鋁含量較高并含有β型穩(wěn)定元素Nb，Mo和中性元素Zr的近α型鈦合金［2–3］。利用COMAR信息庫(2014年版)查詢到國內(nèi)外現(xiàn)有鈦合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的合金元素含量不能覆蓋該材料的元素含量范圍，影響該材料的快速成分分析。筆者以GB／T15000.1–15000.9［4］和JJG 1006–1994［5］為指導(dǎo)性技術(shù)文件，研制了Ti80鈦合金光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)成分設(shè)計(jì)

光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)成分設(shè)計(jì)原則［6］要求：標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)成分含量范圍應(yīng)覆蓋所分析對象的成分范圍，并應(yīng)在規(guī)定成分范圍基礎(chǔ)上，主元素含量的上下限擴(kuò)展10%～20%。根據(jù)Ti80鈦合金的成分范圍［7］，確定Ti80鈦合金光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的設(shè)計(jì)成分如表1。

表1 Ti80鈦合金的成分范圍及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的設(shè)計(jì)成分 %

2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品制備

參照同類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備過程［8］，Ti80鈦合金光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)按照以下流程制備：

配料→包制合金包→壓電極焊接一次電極→真空自耗電極電弧爐與凝殼爐復(fù)合熔煉→鑄錠偏析檢驗(yàn)→均勻化變形加工→機(jī)加工。

3 均勻性檢驗(yàn)

采用單因素方差分析法（F法）對所研制的Ti80鈦合金光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行均勻性檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。查表可知臨界值F0.05(19，40)為1.85，從表2中可以看出，Ti80–1，Ti80–2，Ti80–3，Ti80–4，Ti80–5，Ti80–6中的Al，Mo，Nb，Zr，Si，F(xiàn)e和C 7種元素的F值均小于臨界值，均勻性合格。

表2 均勻性檢驗(yàn)F值

4 穩(wěn)定性考核

對研制的鈦合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了為期1年3個(gè)時(shí)間間隔的穩(wěn)定性考核，按照ISO導(dǎo)則35，如果符合式(1)，則可以認(rèn)為材料足夠穩(wěn)定，結(jié)果表明本套標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的穩(wěn)定性良好。

式中：xCRM——標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的特性值，%；

xmeas——測量值，%；

k——包含因子，置信水平為95%時(shí)k=2；

umeas——測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，%；

uCRM——特性值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，%。

理想情況下umeas比uCRM小很多，式(1)可以簡化為|xCRM-xmeas|≤2uCRM。以Ti80–3鈦合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為例，穩(wěn)定性考核數(shù)據(jù)見表3，相關(guān)參數(shù)見表4。從表4中可知，|xCRM–xmeas|均小于2uCRM，表明Ti80鈦合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性良好。

表3 Ti80–3鈦合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性考核數(shù)據(jù) %

表4 Ti80–3鈦合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性考核參數(shù)

5 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值

Ti80鈦合金光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)由北京航空材料研究院、北京有色研究總院、中國船舶重工集團(tuán)公司第725所、撫順特殊鋼股份有限公司、西部金屬材料寶雞公司，寶雞鈦業(yè)股份有限公司、西北有色金屬研究院、上海材料研究所，寶山鋼鐵集團(tuán)特鋼分公司等9家單位協(xié)作定值，定值結(jié)果如表5。

表5 Ti80光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值、標(biāo)準(zhǔn)偏差及擴(kuò)展不確定度U（k=2）匯總表 %

6 成線性考核

成線性是標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重要的應(yīng)用特性。利用德國斯派克分析儀器公司的SPECTROLAB M11直讀光譜儀對所研制的Ti80鈦合金光譜分析系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了成線性考核，考核結(jié)果見表6。由表6可知，各元素線性相關(guān)系數(shù)均大于0.995，表明各元素成線性良好。

表6 Ti80鈦合金光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)線性相關(guān)系數(shù)

7 比對結(jié)果

7.1 標(biāo)準(zhǔn)值不確定度比較

對Ti80系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與國外類似標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行比較，各成分含量的不確定度結(jié)果見表7。由表7可知，該系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各元素的相對不確定度與國外鈦合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相當(dāng)。

表7 Ti80鈦合金光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值及其不確定度 %

7.2 金相組織比較

Ti80系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的Ti80–5與國外鈦合金光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)IARM285A的金相組織如圖1所示。由圖1中可以看出Ti80–5的組織較IARM285A致密細(xì)小。

圖1 國內(nèi)外鈦合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)金相組織比較

7.3 一致性考核

將Ti80系列鈦合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(Ti80–1～Ti80–6)與SPECTROLAB M11光電直讀光譜儀預(yù)制曲線中的國外標(biāo)樣一起進(jìn)行線性擬合，該設(shè)備的預(yù)制曲線是由40多種國外鈦合金光譜標(biāo)樣建立的，各元素的線性相關(guān)系數(shù)列于表8。由表8可知，各元素線性相關(guān)系數(shù)均在0.995以上，說明本套標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與國外同類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的線性一致性良好。

表8 Ti80光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與類似標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)一致性考核結(jié)果

8 結(jié)論

（1）本套鈦合金光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的成分范圍覆蓋了Ti80鈦合金的成分范圍，適用于鈦合金相應(yīng)元素的成分分析。

（2）在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制過程中，采用獨(dú)特的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)熔煉及均勻化變形加工工藝，保證了標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)設(shè)計(jì)成分和均勻性的要求。

（3）本套標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值元素具有良好的梯度分布，線性良好，在成分均勻性、標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度水平等方面，已達(dá)到同類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)國際先進(jìn)水平。

（4）采用研制的Ti80-1～Ti80-6鈦合金光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別在著名廠家生產(chǎn)的光電直讀光譜儀及X射線熒光光譜儀上建立工作曲線并分析國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)樣品的含量，各元素線性相關(guān)系數(shù)均大于0.995，測量值與標(biāo)準(zhǔn)值基本吻合。

［1］蔣鵬，孟憲亮，劉茵琪，等.Ti80合金鍛造工藝對顯微組織和性能的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2005，34(增刊3): 286–288.

［2］陳軍，趙永慶，常輝.中國船用鈦合金的研究和發(fā)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2005(6): 67–70.

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［4］GB／T 15000.1–15000.9 標(biāo)準(zhǔn)樣品工作導(dǎo)則［S］.

［5］JJG 1006–1994 一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］徐秋心.實(shí)用發(fā)射光譜分析［M］.成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社.1993: 329–331.

［7］李兆峰，廖志謙，匡蒙生，等. Ti-6Al-2Zr-1Mo-3Nb合金微弧氧化陶瓷膜的結(jié)構(gòu)與性能［J］.稀有金屬材料與工程，2011，40(1): 40–44.

［8］趙教育，陳超選，張亞娟，等. TC11鈦合金光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制［J］.化學(xué)分析與計(jì)量，2012，21(1): 4–6.