脈沖加熱-熱導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)

鋁合金是應用廣泛的一類結構材料，它在航空、汽車、機械制造、船舶及化學工業中已大量使用。隨著近年來科學技術以及空間工業的飛速發展，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。鋁合金的廣泛應用促進了鋁合金冶煉技術的發展，同時冶煉技術的發展又拓展了鋁合金的應用領域，因此鋁合金在航空、航天上的應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，否則會導致冶金缺陷和氫脆現象的發生，其中氫脆現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備，該設備精密度高，采用聯合分析程序，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-熱導法測定氫含量，用高純氬氣作為載氣，工業氮氣作為動力氣。測定過程中采用聯合分析程序(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,積分結果經過校準、質量補償、空白補償,最后測量結果以μg/g或百分數的形式報出。

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：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

根據鋁合金中氫含量低以及RHEN602定氫儀進樣機構的特點，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速、進刀量、走刀速度以及車削次數都會對測量結果造成影響，因此要精心選擇，試樣加工過程中應注意以下事項:

(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,另一端應露出適當的長度，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，然后放在通風櫥中使其表面自然風干。試樣清洗完畢后應盡快進行測氫分析,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果的準確性產生較大影響，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定為900 W。

(2) 體積氫加熱功率

鋁合金中的鋅具有揮發性，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，會造成鋅揮發形成對氫的吸附，使體積氫測量時出現拖尾現象，因此體積氫加熱功率過低或者過高都會對測量結果帶來影響。

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,峰形正常基本無揮發物,試樣熔化后可倒出1400全熔,峰形正常揮發物較多,有滲碳現象

根據表1結果及出峰情況判斷，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GBW(E)020030體積氫測定加熱功率的大致范圍，試驗結果列于表2。

表2體積氫加熱功率的驗證試驗結果

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,基本無揮發物,試樣熔化后可倒出14000.20全熔,峰形正常,揮發物較臟,有滲碳現象

注：標準物質選用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性試驗，結果見表3。

由表3可知，加熱功率在1 250、1 300、1 350 W時能夠對試樣進行較好地測量。當體積氫加熱功率為1 350 W時，試樣測定結果穩定，相對標準偏差最小，即重復性最好。

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， 測定結果的相對標準偏差較小，說明測定結果穩定性好。

表4 不同稱樣量對體積氫測定結果的影響

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GBW(E)020030進行測定，結果見表5。

表5 標準物質分析結果

由表5可知，當加熱功率為1 350 W、稱樣量為2.0～3.0 g時，標準物質的測定結果平均值為0.19 μg/g，相對標準偏差為4.8%，表明標準物質測定結果穩定，重復性好。

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，結果見表6。

表6 實際樣品分析結果

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

4 結論

(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,方法測定結果重復性好；

(3)應用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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