應(yīng)用案例 | 航空航天材料中的非金屬元素檢測(cè)與分析

時(shí)間：2024/5/16閱讀：627

材料是所有工程和產(chǎn)品的物質(zhì)基礎(chǔ)，“一代材料，一代裝備"，高性能材料是航空航天工程實(shí)現(xiàn)高可靠性、長(zhǎng)壽命和低成本的保障，促進(jìn)了新型飛機(jī)、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、載人航天器的研制成功和投入使用。

航空航天材料及其應(yīng)用

航空航天材料包括先進(jìn)金屬材料（鋁合金，鈦合金，高溫合金等）、陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料等。隨著飛行器減重需求的日益增長(zhǎng)，鋁及鋁合金越來越受到重視，與鈦合金及復(fù)合材料并稱為航空航天領(lǐng)域的三大輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。鋁合金是航空航天中常用的金屬材料之一，主要是因?yàn)樗鼈兊拿芏鹊停瑫r(shí)具有良好的力學(xué)性能和加工性能。鈦合金以其高強(qiáng)度、低密度、優(yōu)異的耐腐蝕性和耐高溫性能而在航空航天中占有重要地位，它們用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和高性能飛機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，以及航天器的部件。高溫合金，尤其是鎳基合金，因其在高溫下仍能保持強(qiáng)度和抗腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件。

從航空AMS標(biāo)準(zhǔn)看材料檢測(cè)的必要性

航空航天材料的分析檢測(cè)繞不開AMS（Aerospace Material Specifications）標(biāo)準(zhǔn)，它是由SAE International發(fā)布的一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于航空航天工業(yè)的材料、過程和服務(wù)。這些規(guī)范確保材料和產(chǎn)品滿足特定的要求，以保障它們?cè)诤娇蘸教祛I(lǐng)域中的安全和可靠性。AMS標(biāo)準(zhǔn)包括了對(duì)金屬、合金、復(fù)合材料以及其他許多類型的材料和產(chǎn)品的詳細(xì)要求。例如，AMS 2750涉及熱處理設(shè)備的校準(zhǔn)和操作要求，為熱處理過程的控制和質(zhì)量保證提供了指南；AMS 2430涉及噴丸處理，確保噴丸過程能夠提供一致和可重復(fù)的應(yīng)力狀態(tài)，以提高金屬部件的疲勞性能；AMS 4911規(guī)定了鈦合金Ti-6Al-4V板材、帶材、鍛件和環(huán)形鍛件的要求，包括化學(xué)成分、力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)；AMS 5662定義了鎳基合金Inconel 718棒材、鍛件和環(huán)形鍛件的標(biāo)準(zhǔn)，包括化學(xué)和機(jī)械要求；AMS 2644規(guī)定了無損檢測(cè)用的磁粉和滲透液的要求，確保這些檢測(cè)化學(xué)品的性能和質(zhì)量；AMS 2770針對(duì)鋁合金熱處理的特定要求，確定了合金的預(yù)處理、熱處理以及后續(xù)的冷卻和時(shí)效處理的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)非金屬元素進(jìn)行檢測(cè)的必要性

AMS標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了材料的化學(xué)性能、機(jī)械性能、物理性能、微觀結(jié)構(gòu)特性和制造過程要求等方面。用途最為廣泛的鋁合金、鈦合金及鎳基高溫合金都有相應(yīng)的材料標(biāo)準(zhǔn)，在日常的材料性能檢測(cè)中，除了主合金元素（通常含量大于1%），微量的非金屬元素也是重要的檢測(cè)部分，以確保這些元素含量在允許的范圍。

以鈦合金為例，AMS 4911規(guī)范針對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金的化學(xué)成分有明確的要求，包括主要合金元素和雜質(zhì)元素的允許范圍。對(duì)雜質(zhì)元素的限制是為了確保合金具有良好的機(jī)械性能和加工性能。例如，氧和氮的過量可能會(huì)導(dǎo)致合金變脆，而氫的過量可能會(huì)導(dǎo)致所謂的氫脆現(xiàn)象，甚至在應(yīng)力作用下突然斷裂。具體而言，對(duì)于AMS 4911標(biāo)準(zhǔn)中Ti-6Al-4V合金的雜質(zhì)元素，氧通常不超過0.20%；碳通常不超過0.08%；氫通常不超過0.015%；氮通常不超過0.05%。

數(shù)據(jù)來源：SAE International (Revised 2019)

案例分享

用Eltra元素分析儀檢測(cè)材料中的非金屬元素

對(duì)上述典型航空航天材料包括鋁合金、鈦合金和高溫合金的檢測(cè)與分析是Eltra元素分析儀的典型應(yīng)用，我們?cè)谠擃I(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，立足于幫助客戶對(duì)相關(guān)材料進(jìn)行質(zhì)量管理或達(dá)成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

測(cè)量原理：Eltra ONH分析儀是一臺(tái)惰性氣體熔融燃燒分析儀，使用紅外檢測(cè)器檢測(cè)樣品中氧元素，熱導(dǎo)檢測(cè)器則檢測(cè)樣品中的氮元素和氫元素。

圖1：帶自動(dòng)進(jìn)樣器和自動(dòng)清掃裝置的ONH分析儀

數(shù)據(jù)展示：埃爾特的ONH元素分析儀可以用于檢測(cè)各種類型的航空材料，以下數(shù)據(jù)分別來自不同客戶測(cè)量航空航天材料中的碳?xì)溲鯏?shù)據(jù)，ELTRA的ONH設(shè)備很好地完成了客戶的檢測(cè)要求，為客戶判斷材料是否符合相應(yīng)的航空標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

鈦合金ONH檢測(cè)示例

圖2：客戶A檢測(cè)鈦合金中的氧、氮元素

圖3：客戶B檢測(cè)鈦合金中的氫元素

鋁合金檢測(cè)示例

圖4：客戶C檢測(cè)鋁合金中的氫元素

鎳基高溫合金檢測(cè)示例

圖5：客戶D檢測(cè)鎳合金中的氧元素

值得一提的是，ELEMENTRAC ONH-p2的新型自動(dòng)進(jìn)樣器具有一個(gè)帶有32個(gè)坩堝位置的樣品轉(zhuǎn)盤，以及一個(gè)配套設(shè)計(jì)的坩堝盒。可以實(shí)現(xiàn)兩小時(shí)的無人值守，大大節(jié)約了測(cè)試人員的時(shí)間。坩堝無需人工排列，自動(dòng)進(jìn)樣裝置可將坩堝自行排列整齊。同時(shí)對(duì)于不同的檢測(cè)樣品，測(cè)試人員可以提前將樣品在軟件和轉(zhuǎn)盤位號(hào)中一一設(shè)置對(duì)應(yīng)，一次性獲得不同樣品的分析結(jié)果。這也是目前市面上自動(dòng)進(jìn)樣數(shù)量最多的ONH元素分析儀器。高效的設(shè)計(jì)非常適合需要大批量檢測(cè)的機(jī)構(gòu)。

圖6：帶有32個(gè)位置的坩堝轉(zhuǎn)盤

領(lǐng)拓儀器作為弗爾德的代理商，擁有Carbolite•Gero (卡博萊特·蓋羅)烘箱、馬弗爐，Eltra (埃爾特)碳//氧/氮/元素分析儀，德國Retsch (菜馳)粉碎、研磨、篩分設(shè)備和德國MICROTRAC MRB(麥奇克萊馳)多功能粒度粒形分析儀等設(shè)備。如有需要，可掃描下方二維碼添加客服溝通。

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