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，萬衛浩，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.鋼研納克檢測技術股份有限公司，北京 100081 3.金屬材料表征北京市重點實驗室，北京 100081 4.北京科技大學，北京 100083

引 言

隨著我國航空工業的不斷發展，航空發動機推重比(推力/重力)也在逐步提高，對于發動機渦輪盤的選材、制備工藝、材料性能也提出了更加苛刻的要求[1]。采用電渣重熔連續定向凝固(ESR-CDS)和3D整體鍛造、模鍛相結合的工藝路線，制備的鑄&鍛GH4096高溫合金渦輪盤具有高純凈、高使用溫度、高強度、低裂紋擴展速率、高抗疲勞性能等優異性能，滿足航空發動機的使用要求，保證航空發動機的安全可靠性[2-3]。由于材料合金化程度更高、渦輪盤尺寸大，制備工藝復雜，不同位置區域在熱處理或變形過程中存在著溫度場或應變不均勻等問題，可能會產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，對渦輪盤的服役性能帶來一定程度的影響[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域各元素分布情況，為建立工藝、成分和組織分布的相關性和優化渦輪盤制備工藝流程提供了有效依據。

在現有成分分布定量表征研究中，電子探針顯微分析技術、掃描電鏡與能譜儀結合的方法都可得到材料微區的顆粒邊界形貌以及成分分布，但由于可測量視場有限，所得結果無法代表大尺寸構件的成分分布[6-8]；激光誘導擊穿光譜法(LIBS)可較好地得到塊體材料較大區域內成分分布信息，但存在邊緣燒蝕效應、空間分辨率相對較低等缺點[9-10]；火花源原子發射光譜原位統計分布分析技術(OPA)可以完成大尺寸范圍塊體金屬的成分狀態分布分析，但存在激發斑點較大、對材料存在損害的問題，不利于保護樣品且無法對同一位置重復測量[11-12]。隨著X射線分析技術的不斷發展，將X射線源與聚焦毛細管透鏡相結合的微束X射線熒光光譜(μ-XRF)開始進入成分分布表征領域。該技術具有微區分辨率高、分析速度快、多元素同步分析且無損等優勢，目前被廣泛應用于考古、生物、地質等研究領域[13]，但由于X射線熒光光譜在復雜高溫合金體系中存在著譜鋒重疊、基體效應干擾嚴重等問題，所以針對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家標準GB/T 24213—2009對渦輪盤中Cr，Co，Mo，W，Ti，Al，Nb和Ni八種主量元素進行了原位統計分析分布解析，獲得了渦輪盤徑向及厚度方向的成分分布規律。

1 實驗部分

1.1 樣品

實驗樣品為通過電渣重溶連續定向凝固+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[切片測量區域如圖1(b)所示]。

圖1 渦輪盤形貌圖

1.2 儀器及條件

實驗采用Bruker Nano GmbH生產的高性能微束X射線熒光光譜儀(M4 TORNADO)對大尺寸鎳基鑄&鍛GH4096合金渦輪盤切片進行元素定量及分布表征。其儀器結構如圖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；探測器為硅漂移探測器，有效面積為30 mm2；并采用多導毛細管透鏡實現了X射線光源的聚焦，極大的提高了譜線強度峰背比，增大了分辨率。測量條件為：X射線光管電壓為50 kV；電流為150 μA；樣品面掃描時束斑掃描間距為70 μm；每像素采集時間為60 ms，儀器所用真空度為20.0 mba；樣品掃描區域位于渦輪盤中心區域且面積為175 mm×34 mm；并采用鋼研納克檢測技術股份有限公司研制的金屬原位分析儀(OPA-200)對同區域多列定點分析，對微束熒光光譜儀所得到的數據進行了驗證。

圖2 微區X射線熒光光譜儀的結構示意圖

2 結果與討論

2.1 微束X射線熒光光譜面掃描條件的選擇

采用微束X射線熒光光譜儀對大尺寸樣品進行面掃描時，為了保證定量結果的可靠性，需要對儀器的采集參數進行優化，獲得各元素較高的峰背比。本試驗考察了不同的管電壓和管電流對各元素峰背比的影響規律。掃描區域為樣品中部的2 mm×2 mm區域，不同電壓或電流測量條件的峰背比結果如圖3所示。可知在一定范圍內，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，是因為高電壓下不利于輕元素的測量，綜合考慮對所有元素最佳測量結果，當X射線光管電壓為50 kV、電流為150 μA時各元素測量效果較好。最終測量條件為X射線光管電壓為50 kV；電流為150 μA；樣品面掃描時束斑掃描間距為70 μm；每像素采集時間為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化

在使用微束X射線熒光光譜對大尺寸鑄&鍛GH4096復雜高溫合金體系進行測量時，由于存在著多種高含量合金元素，會存在較為復雜的干擾效應如背景噪聲干擾、譜峰重疊與元素吸收增強效應(基體效應)等。對渦輪盤剖面進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。同時當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能時，該共存元素也會強烈吸收分析譜線得到額外激發，在復雜元素體系中此類元素吸收或增強效應干擾也是無法避免的。本實驗為解決元素定量中的譜線干擾，采用了影響因子系數校準法，采用多塊與渦輪盤組成元素接近的高溫合金塊狀光譜標準樣品(表1)在同等測量條件下進行面掃描分析，測定區域為2 mm×2 mm。

表1 高溫合金光譜參考物質的化學成分(ω/%)

由儀器定量結果與化學成分分析結果的相關性曲線結果可知，Cr，Co和Mo的擬合曲線的斜率接近于1，與化學值的偏差不超過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儀器定量方法進行校準。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元素原子序數較小，產生的X射線熒光強度較低，而渦輪盤中Nb的含量也較低，所選的光譜標準參考物質含量梯度不合適所致，因此選擇了一個已知準確化學成分且分布均勻的GH4069合金塊狀樣品作為類型控制樣品，對其定量方法進行了進一步修正，最終測定的掃描面的總體平均含量與化學法測定的結果如表2所示。可知使用優化后的定量方法測得值與化學法定量值基本一致，無較大偏差，證明了此方法的準確性、可靠性。

表2 GH4096渦輪盤的化學法測定結果與微區X射線熒光光譜測定結果(ω%)

2.3 渦輪盤縱剖面各元素成分定量統計分布分析結果

對大尺寸鎳基變形GH4096合金渦輪盤切片從輪轂到輪緣的175 mm×34 mm面積區域進行面掃描分析，并采用優化后的定量方法對各元素進行定量分析，成分分布圖如圖5所示。結果表明，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三種元素未發現明顯偏析帶。

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家標準GB/T 24213—2009中對面分布得到的各元素不同位置處的含量數據進行了定量統計分布解析，其中每個數據點代表1 mm×1 mm微區的元素平均含量，最終獲得了5 312個微區的元素平均含量，并繪制了元素含量頻數分布圖(圖6)，獲得了整個掃描區域內各元素的最大偏析度、統計偏析度、在材料成分設計允許范圍內的統計符合度等定量統計參數，結果如表3所示。其中統計偏析度是指該元素95%置信度下，以含量中位值為中心的含量置信區間[c1,c2]的統計偏析度S，其計算公式見式(1)，當統計偏析度越大偏析越嚴重，統計偏析度為0時則無偏析。由圖7可知渦輪盤中大部分元素的含量分布均呈現良好的正態分布，但Co元素譜圖在左側出現了一些拖尾，導致了其分布圖形的不對稱，這是由于Co元素在分析區域存在的一些負偏析點造成的。一些高含量元素Ni，Cr和Co的統計偏析度均小于1%，Mo，W和Ti的統計偏析度也沒有超過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域存在一些偏析帶，但這些偏析帶是一個狹長的窄偏析帶，對全區域元素含量統計分布結果影響不大。從各元素含量的最大和最小值數據可以看出，除了Al之外，所有含量數據均在渦輪盤成分設計的允許范圍之內，其統計符合度均為100%。Al元素的含量波動主要是由熒光光譜本身的一些局限性造成的，由于其原子序數低，熒光產額低，在面掃描分析是獲得的熒光凈強度低，因此信號波動較大，但通過擴大每個數據點的覆蓋區域，獲得更高的累計信號強度后，Al的含量波動會有所減小。當統計的每個數據點區域尺寸增大至5 mm時，全區域內Al含量的最小值變為2.04%，最大值變為2.29%，同樣位于渦輪盤成分設計的允許范圍之內，說明該渦輪盤整體的元素含量分布均符合設計要求。

表3 鎳基GH4096渦輪盤各元素面分布原位統計結果

圖6 渦輪盤各元素不同百分含量頻數分布直方圖

S=(c1-c2)/2c0

(1)

式中：C0為含量中位值；C1和C2為含量置信區間的上下限。

2.4 渦輪盤縱剖面不同區域各元素含量分布規律

為進一步探究渦輪盤掃描區域厚度方向的各元素含量變化規律，分別取如圖7所示X方向坐標為44，88和132 mm附近的數據陣列進行了統計解析，從上至下將數據陣列分割成若干個30×15的小數據點陣，其中每個點陣代表2 mm×1 mm微區含量，求取每個數據點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，三個厚度方向的線分布圖如圖7所示。可知，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，而Ni和Cr則呈現含量增高的趨勢。Ti的低含量點的出現位置略有偏移。這一分布趨勢也與元素含量二維分布圖的結果一致，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Y方向坐標為18 mm附近的數據陣列進行統計解析，從左至右將數據陣列分割成若干個50×30的數據點陣，其中每個點陣代表3.50 mm×2.10 mm微區的含量，求取每個小微區的元素平均含量，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，可知在距左側約103 mm處各元素含量存在較大波動，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域平均分割為50個微小區域，每個區域的寬為3.50 mm，統計每個小區域的元素平均含量，并繪制從輪轂至輪緣區域的元素含量線分布圖，如圖8(d)所示。可知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逐漸降低的趨勢，而Mo，Ti和Nb三種元素含量則呈現逐漸上升趨勢。這可能是由于在制備過程中，不同元素擴散程度不同或從輪轂到輪緣橫向方向上各元素的熱動力學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

為進一步驗證偏析帶的存在，以及部分元素在一定范圍內的橫向整體變化趨勢的可靠性，使用金屬原位分析儀(OPA-200)對相同區域范圍進行了線分布分析，采用的是OPA-200的定點分析模式，在每一列上每隔3 mm進行定點測量，并采用了相同的高溫合金體系標樣進行繪線定量，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。可知在距測量區域上沿約12 mm處Co，Cr，Mo，Ni和Ti五種元素含量出現較大變化，且元素含量變化趨勢與μ-XRF所測元素偏析帶變化趨勢保持一致，進一步驗證了在測量區域內偏析帶的客觀存在。同時從輪轂至輪緣區域，Co，Cr和W三種元素含量從輪轂到輪緣呈現逐漸降低的趨勢，而Mo，Ti和Nb三種元素含量則呈現逐漸上升趨勢，這也與μ-XRF法測量趨勢符合性較好，進一步驗證了μ-XRF法測量與統計結果的準確性、可靠性。說明大尺寸渦輪盤在熱處理過程中存在溫度場分布，導致了各元素擴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測得渦輪盤徑向各元素含量線性圖

3 結 論

(1)通過選擇合適的測量條件、優化儀器定量方法，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，并引入了原位統計分析方法對渦輪盤中Cr，Co，Mo，W，Ti，Al，Nb和Ni八種主要元素進行了定量統計分布解析。

(2)發現渦輪盤厚度的中心區域內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偏析帶，而Ni和Cr兩種元素存在弧形正偏析帶，兩個偏析帶的位置接近。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逐漸降低的趨勢，而Mo，Ti和Nb三種元素含量則呈現逐漸上升趨勢

(3)獲得了整個掃描區域內各元素的最大偏析度、統計偏析度、在材料成分設計允許范圍內的統計符合度等定量統計參數，可知渦輪盤中大部分元素的含量分布均呈現良好的正態分布，除Al元素外各元素的統計偏析度均小于2%，所有含量數據均在渦輪盤成分設計的允許范圍之內，其統計符合度均為100%，說明該渦輪盤整體的元素含量分布均符合設計要求。