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航空航天材料中的非金屬元素檢測與分析

德國Retsch（萊馳） 2024-04-19 | 閱讀：2793

材料是所有工程和產品的物質基礎，“一代材料，一代裝備”，高性能材料是航空航天工程實現高可靠性、長壽命和低成本的保障，促進了新型飛機、運載火箭、導彈、衛星、載人航天器的研制成功和投入使用。

航空航天材料及其應用

航空航天材料包括先進金屬材料（鋁合金，鈦合金，高溫合金等）、陶瓷材料、高分子材料、復合材料等。隨著飛行器減重需求的日益增長，鋁及鋁合金越來越受到重視，與鈦合金及復合材料并稱為航空航天領域的三大輕質結構材料。鋁合金是航空航天中最常用的金屬材料之一，主要是因為它們的密度低，同時具有良好的力學性能和加工性能。鈦合金以其高強度、低密度、優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，它們用于航空發動機和高性能飛機的關鍵結構，以及航天器的部件。高溫合金，尤其是鎳基合金，因其在極高溫度下仍能保持強度和抗腐蝕性能而被廣泛應用于航空發動機的熱端部件。

從航空AMS標準看材料檢測的必要性

航空航天材料的分析檢測繞不開AMS（Aerospace Material Specifications）標準，它是由SAE International發布的一系列行業標準，主要用于航空航天工業的材料、過程和服務。這些規范確保材料和產品滿足特定的要求，以保障它們在航空航天領域中的安全和可靠性。AMS標準包括了對金屬、合金、復合材料以及其他許多類型的材料和產品的詳細要求。例如，AMS 2750涉及熱處理設備的校準和操作要求，為熱處理過程的控制和質量保證提供了指南；AMS 2430涉及噴丸處理，確保噴丸過程能夠提供一致和可重復的應力狀態，以提高金屬部件的疲勞性能；AMS 4911規定了鈦合金Ti-6Al-4V板材、帶材、鍛件和環形鍛件的要求，包括化學成分、力學性能和微觀結構；AMS 5662定義了鎳基合金Inconel 718棒材、鍛件和環形鍛件的標準，包括化學和機械要求；AMS 2644規定了無損檢測用的磁粉和滲透液的要求，確保這些檢測化學品的性能和質量；AMS 2770針對鋁合金熱處理的特定要求，確定了合金的預處理、熱處理以及后續的冷卻和時效處理的標準。

對非金屬元素進行檢測的必要性

AMS標準涵蓋了材料的化學性能、機械性能、物理性能、微觀結構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的材料標準，在日常的材料性能檢測中，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規范針對Ti-6Al-4V鈦合金的化學成分有明確的要求，包括主要合金元素和雜質元素的允許范圍。對雜質元素的限制是為了確保合金具有良好的機械性能和加工性能，以及防止在極端條件下發生脆化和其他不良現象。例如，氧和氮的過量可能會導致合金變脆，而氫的過量可能會導致所謂的氫脆現象，甚至在應力作用下突然斷裂。具體而言，對于AMS 4911標準中Ti-6Al-4V合金的雜質元素，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%。

數據來源：SAE International (Revised 2019)

案例分享

用Eltra元素分析儀檢測材料中的非金屬元素

對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與分析是Eltra元素分析儀的典型應用，我們在該領域積累了豐富的經驗，立足于幫助客戶對相關材料進行質量管理或達成行業標準。

測量原理：Eltra ONH分析儀是一臺惰性氣體熔融燃燒分析儀，使用紅外檢測器檢測樣品中氧元素，熱導檢測器則檢測樣品中的氮元素和氫元素。

圖1：帶自動進樣器和自動清掃裝置的ONH分析儀

數據展示：埃爾特的ONH元素分析儀可以用于檢測各種類型的航空材料，以下數據分別來自不同客戶測量航空航天材料中的碳氫氧數據，ELTRA的ONH設備很好地完成了客戶的檢測要求，為客戶判斷材料是否符合相應的航空標準奠定基礎。

鈦合金ONH檢測示例

圖2：客戶A檢測鈦合金中的氧、氮元素

圖3：客戶B檢測鈦合金中的氫元素

鋁合金檢測示例

圖4：客戶C檢測鋁合金中的氫元素

鎳基高溫合金檢測示例

圖5：客戶D檢測鎳合金中的氧元素

值得一提的是，ELEMENTRAC ONH-p2的新型自動進樣器具有一個帶有32個坩堝位置的樣品轉盤，以及一個配套設計的坩堝盒。可以實現兩小時的無人值守，大大節約了測試人員的時間。坩堝無需人工排列，自動進樣裝置可將坩堝自行排列整齊。同時對于不同的檢測樣品，測試人員可以提前將樣品在軟件和轉盤位號中一一設置對應，一次性獲得不同樣品的分析結果。這也是目前市面上自動進樣數量最多的ONH元素分析儀器。高效的設計非常適合需要大批量檢測的機構。