摘 要：本文采用脈沖爐惰性氣體熔融紅外吸收法測(cè)試鈦合金中氫含量。研究樣品處理方式、樣品放置時(shí)間、樣品存儲(chǔ)方式、超聲時(shí)間、樣品清洗劑種類(lèi)、分析功率、助熔劑用量7種因素條件對(duì)鈦合金氫含量測(cè)試的影響。確定了紅外吸收法測(cè)試鈦合金中氫含量的試驗(yàn)條件：精密車(chē)床或者酸洗處理樣品，采用丙酮或者無(wú)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(shí)現(xiàn)了紅外吸收法測(cè)定鈦及鈦合金中氫含量測(cè)試，測(cè)定結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度范圍內(nèi)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于4％（RSD，n =6的分析結(jié)果），同時(shí)采用該方法測(cè)定鈦及鈦合金樣品的氫含量具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)試效率高、成本低、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。

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(qiáng)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。鈦合金于20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)，20世紀(jì)50至60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金。70年代，開(kāi)發(fā)出一批耐蝕鈦合金。80年代以來(lái)，耐蝕鈦合金和高強(qiáng)鈦合金得到進(jìn)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(guò)程中容易吸氫，這會(huì)引起氫脆性[9]。氫脆性是指鈦合金在含氫環(huán)境中，其強(qiáng)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(kuò)散并堆積，導(dǎo)致鈦合金中氫含量的增加，從而降低了其機(jī)械性能，因此嚴(yán)格控制鈦合金中氫含量是非常有意義的。現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 4698.15—2011、 ASTME1447-22，以及文獻(xiàn)《鈦及鈦合金中氫含量測(cè)試方法研究》中對(duì)于測(cè)試過(guò)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(cè)試過(guò)程繁瑣不夠高效、快捷。影響金屬材料氣體元素含量測(cè)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(shí)間、分析功率，為準(zhǔn)確、高效快捷測(cè)定金屬材料氣體元素含量，需要對(duì)以上因素條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

氧氮?dú)浞治鰞x（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(wú)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(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用氧氮?dú)?36（Leco）分析儀是基于紅外吸收法測(cè)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(jī)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(hù)下熔融試樣，試樣中氫以分子態(tài)釋放并進(jìn)入載氣流中，經(jīng)過(guò)熱的氧化銅催化劑轉(zhuǎn)化為水，使用紅外檢測(cè)池檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品處理方式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

采用鈦合金試樣A（牌號(hào)TC4）、試樣B（牌號(hào)TA15）進(jìn)行試驗(yàn)，用精密車(chē)床車(chē)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(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，精密車(chē)床車(chē)削、銼刀打磨、酸蝕3種處理方式均可準(zhǔn)確測(cè)量鈦合金中氫含量，測(cè)試結(jié)果符合GB/T 4698.15—2011方法再現(xiàn)性要求，都可用來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行處理。對(duì)于測(cè)試氫的樣品優(yōu)先采用精密車(chē)床加工處理，這種方式節(jié)省人力和時(shí)間；對(duì)于測(cè)試氫不規(guī)則品（車(chē)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(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

將鈦合金試樣A（牌號(hào)T C 4）、試樣B（牌號(hào)TA15）進(jìn)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(jìn)行試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，樣品放置時(shí)間相同時(shí)，室溫放置和存放在丙酮中樣品測(cè)試結(jié)果均可準(zhǔn)確測(cè)試鈦合金中氫含量；處理方式相同時(shí)，不同放置時(shí)間樣品測(cè)試結(jié)果均可準(zhǔn)確測(cè)試鈦合金中氫含量；測(cè)試結(jié)果符合GB/T 4698.15—2011方法再現(xiàn)性限要求，都可以對(duì)樣品進(jìn)行處理。對(duì)于大批量鈦合金測(cè)試時(shí)可以一次處理多個(gè)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(duì)其結(jié)果造成影響，減少樣品處理時(shí)間，提高測(cè)試效率。

2.3 樣品超聲時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

將鈦合金試樣A（牌號(hào)TC4）進(jìn)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(yàn)分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，不同超聲時(shí)間均可準(zhǔn)確測(cè)試鈦合金中氫含量，鈦合金樣品超聲清洗時(shí)可采用1 min左右，超聲時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)影響試驗(yàn)效率。

2.4 樣品清洗試劑對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

對(duì)試樣B（牌號(hào)TA15）進(jìn)行打磨處理，將試樣剪成合適的大小，用丙酮超聲1 min、無(wú)水乙醇超聲1 min、四氯化碳超聲1 min吹干試驗(yàn)分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，用丙酮、乙醇、四氯化碳三種清洗劑均可準(zhǔn)確測(cè)試鈦合金中氫含量。無(wú)水乙醇作為清洗劑優(yōu)點(diǎn)是毒性小，缺點(diǎn)是揮發(fā)性比丙酮差，吹干時(shí)間長(zhǎng)，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(shí)優(yōu)先采用丙酮。

2.5 分析功率對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

在分析功率3000 W、3500 W、4000 W下測(cè)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(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)，分析功率過(guò)低時(shí)高含量的測(cè)試結(jié)果會(huì)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(guò)高時(shí)，雖然測(cè)試結(jié)果滿足要求但是功率過(guò)高會(huì)造成能源浪費(fèi)，因此采用分析功率3500 W，相對(duì)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(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

在分析功率3500 W、采用一個(gè)錫片、半個(gè)錫片對(duì)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(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可見(jiàn)，一個(gè)錫片和半個(gè)錫片均可準(zhǔn)確測(cè)試鈦合金中氫含量，日常測(cè)試鈦合金氫含量可以采用半個(gè)錫片作為助熔劑，節(jié)約測(cè)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(shí)間70S、半個(gè)錫片作為助熔劑條件下測(cè)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(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可見(jiàn)，測(cè)試結(jié)果氫的 RSD 小于4％（n =6），測(cè)定結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度范圍內(nèi)，說(shuō)明該方法的準(zhǔn)確度良好。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)考察處理方式、樣品放置時(shí)間、樣品存儲(chǔ)方式、超聲時(shí)間、樣品清洗劑種類(lèi)、分析功率、助熔劑用量7種因素條件對(duì)鈦合金氫測(cè)試的影響，建立了準(zhǔn)確測(cè)量鈦合金中氫方法。使用精密車(chē)床車(chē)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(cè)試氫含量，該方法操作驟快捷單，測(cè)試成本低，測(cè)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(jì)效益高、準(zhǔn)確可靠的測(cè)試方法。

參考文獻(xiàn)

[1]沈英姬.鈦及鈦合金中氫含量測(cè)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(jī)理[D].合肥：中國(guó)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(duì)鈦合金應(yīng)力強(qiáng)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(guó)鈦工業(yè)發(fā)展報(bào)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(chǎng)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(jī)，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(cè)定鈦及鈦合金中氫的方法對(duì)比[J].冶金分析，2022，42（2）：70-75.

[10]朱躍進(jìn)，李素娟，鄧羽.樣品制備對(duì)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(cè)定結(jié)果的因素分析[J].室驗(yàn)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(cè)定鈮鈦合金中氫含量[J].中國(guó)無(wú)機(jī)分析化學(xué)，2017，7（2）：15-17.

[14]劉文玖.鋼鐵材料中氧氮?dú)涞臏y(cè)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(cè)定：GB/T4698.15—2011 [S]. 2011.

作者簡(jiǎn)介

郭飛，本科，工程師，研究方向?yàn)橛猩饘俪煞址治觥?/p>

劉凱，通信作者，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛猩饘俪煞址治觥?/p>

（責(zé)任編輯：袁文靜）