СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА Российский патент 2016 года по МПК G01N21/67 

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при оценке влияния структуры никелевого сплава на аналитический сигнал при проведении оптического эмиссионного спектрального анализа элементного состава.

В материаловедении известно, что свойства веществ и различных материалов зависят от химического состава и от структуры. Структура на различных уровнях (макроструктура, микроструктура, субструктура) характеризуется компонентами структуры, их взаимным расположением и характером связи. При равенстве структур и равном химическом составе набор технологических и эксплуатационных свойств материалов будет одинаковым. При одинаковом химическом составе различия в свойствах материалов определяются различием их структур, изменение в которых происходит за счет изменения энергосодержания системы и сопровождается изменением взаимодействия атомов. Размер ядра атома на пять порядков меньше размера самого атома. Таким образом, изменения структуры и свойств происходят из-за изменения взаимодействий электронной среды одних структурных единиц с электронной средой других структурных единиц.

При изменении химического состава структура материала никогда не будет равна исходной и, как следствие, обязательно изменится набор свойств.

Для оценки свойств анализируемого объекта следует учитывать все структурные параметры, в том числе и на уровне межатомного взаимодействия, поскольку свойства всех материалов и, соответственно, их структура являются функцией химического состава и внутренней энергии системы.

Известен способ анализа фазового состава порошковой пробы минерала, осуществляемый для оценки технологических свойств минерального сырья, в котором отбирают исследуемую и эталонные пробы, возбуждают эмиссионные спектры и путем сравнения интенсивностей спектральных линий, обнаруженных в спектрах проб, с учетом удельного веса и размера частиц оценивают содержание анализируемых минералов в пробе (патент на изобретение РФ №2056627, 27.03.1996).

Известен способ контроля состояния вещества, в котором для диагностирования этапов формирования кристаллической решетки в аморфном веществе определяются параметры электронно-колебательных спектров примесных центров, наблюдают изменение относительной интенсивности спектра и выносят суждение о возникновении зародышей кристаллической фазы по появлению бесфоновых линий, по появлению фононного крыла с энергией 1-10 см^-1 - о развитии ближнего порядка структуры новой фазы, по появлению фононного крыла с энергией 10-100 см^-1 - о наличии второй координационной сферы, по появлению фононного крыла с энергией более 100 см^-1 - о формировании дальнего порядка кристаллической фазы (патент на изобретение РФ №2178165, 10.02.2002).

Однако описанные выше способы не могут быть применены для характеристики структуры никелевого сплава и оценки ее влияния на аналитический сигнал.

Известен способ определения содержания массовых долей элементов в материалах и сплавах путем эмиссионного спектрального анализа, при котором производится возбуждение излучения образца в низкотемпературной плазме, регистрация эмиссионного спектра образца, измерение интенсивности аналитической линии элемента и линии сравнения, расчет содержания искомого элемента в пробе по физической модели, содержащей выражения для параметров, характеризующих устойчивое состояние низкотемпературной плазмы в стандартном образце по отношению к пробе и способность к излучению низкотемпературной плазмы относительно стандартного образца по каждому элементу (патент на изобретение РФ №2314516, 10.01.2008).

Способ позволяет осуществить элементный анализ с высокой точностью и достоверностью, но он не дает сведений о состоянии структуры исследуемого образца.

Известен способ контроля структуры алюминиевого сплава, позволяющий диагностировать структуру контрольных образцов, сравнивая аналитические сигналы атомно-эмиссионного спектрального анализа образцов до и после термической обработки (патент на изобретение РФ №2442139, 10.02.2012), аналог.

Известен способ контроля структуры титанового сплава, позволяющий диагностировать структуру контрольных образцов, сравнивая аналитические сигналы атомно-эмиссионного спектрального анализа образцов до и после термической обработки (патент на изобретение РФ №2486494, 27.06.2013), прототип.

Приведенные выше способы не позволяют обеспечить контроль структуры никелевых сплавов, вследствие использования температур термообработки, характерных для алюминиевой и титановой основы сплавов.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа контроля структуры никелевого сплава, который позволяет учитывать влияние структуры никелевого сплава на аналитический сигнал при использовании эмиссионного-спектрального метода анализа.

Поставленная задача решается описываемым способом контроля структуры никелевого сплава, согласно которому эмиссионно-спектральным методом измеряют интенсивности химических элементов исходного образца никелевого сплава, подвергают исходный образец никелевого сплава термообработке в течение 10 часов при температуре 1000°С с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры и эмиссионно-спектральным методом измеряют интенсивности химических элементов термообработанного образца никелевого сплава, сравнивают полученные значения интенсивности для каждого химического элемента в исходном образце с соответствующим значением интенсивности того же элемента в термообработанном образце и по разнице в значениях интенсивностей химических элементов констатируют наличие структурных изменений с выявлением химических элементов, обеспечивающих упомянутые структурные изменения.

Также при проведении эмиссионно-спектрального анализа могут выбираться используемые спектральные линии от 190 нм до 550 нм в видимой и ультрафиолетовой областях спектра и дополнительно осуществляться анализ химического состава никелевого сплава.

Использование заявленного способа с получением технического результата основано на различии закаленных и отожженных структурных модификаций никелевых сплавов. Как правило, закаленный сплав имеет меньшую плотность, по сравнению с отожженным. Низкотемпературная модификация достигается при отжиге образцов, а высокотемпературная модификация достигается при закалке без изменения химического состава.

В реальных условиях эмиссионного анализа зависимость между интенсивностью линий и концентрацией может часто нарушаться из-за различных побочных эффектов как оптической, так и физико-химической природы (см., например, А.Н. Путьмаков «Об ошибках в практике атомно-эмиссионного спектрального анализа». Материалы 7-го международного симпозиума «Применение анализаторов МАЭС в промышленности», Новосибирск 15-18 августа 2006 г.). Поэтому решающее влияние на точность и достоверность результатов анализа имеет выбор условий атомизации и измерения аналитического сигнала.

Сущность изобретения заключается в том, что, имея равные условия возбуждения и анализируя образцы одного и того же химического состава, изменив только их структурные соотношения путем описанной выше термообработки, можно получить статистически различимые аналитические сигналы с обеспечением возможности их интерпретации.

Пример

Берется проба гранулированного жаропрочного никелевого сплава марки ЭП741НП, изготовленного в виде поковки. Из пробы вырезают шесть образцов размером ~15×15×15 мм. Поверхности образцов шлифуют для получения чистых поверхностей. Все шесть образцов подвергают атомно-эмиссионному спектральному анализу для получения интенсивностей линий химических элементов, которые образуют никелевый сплав, на приборе AtomComp 81 с возбуждением высоковольтной искрой.

Для снижения влияния флуктуации условий возбуждения на интенсивность линий определяемого элемента при выполнении анализов используют так называемый внутренний стандарт или элемент сравнения. В этом случае аналитическим сигналом служит отношение

I_ан/I_ср,

где I_ан - интенсивность аналитической линии определяемого элемента;

I_ср - интенсивность спектральной линии элемента сравнения. Чаще всего за линию сравнения принимают линию, принадлежащую основному компоненту пробы, Ni₂₂₅₄.

Прибор AtomComp 81 (производства компании Thermo Jarrel AshCorp) является эмиссионным спектрометром прямого считывания, использующий в качестве источника высоковольтную искру. Прибор оснащен оптической системой Пашена Рунге с фокусным расстоянием 0,75 м. Источник выполняет две функции: а) превращает образец в пар, состоящий преимущественно из свободных атомов и ионов; б) заставляет испускать этот пар свет, характеризующий тип и количество атомов, из которых состоит пар.

Полученные данные химического состава в пределах погрешности метода дают одинаковые результаты для всех шести образцов по всем химическим элементам никелевого сплава.

Произвольным образом из этих образцов отбирают три и подвергают их термообработке при температуре 1000°С в течение 10 часов и охлаждают в печи (отжиг).

Поверхности всех образцов (подвергшихся термообработке и без термообработки) снова подвергают атомно-эмиссионному спектральному анализу на приборе AtomComp 81, причем замеры делают, чередуя термообработанный и не термообработанный для исключения сомнений в тренде.

Полученные значения по всем химическим элементам разбивают на группы попарно: термообработанные и не термообработанные.

Каждую пару групп цифр для каждого химического элемента обрабатывают методом сравнения средних в дисперсионном анализе и, используя критерий Фишера, делают заключение о том, какие химические элементы в данном никелевом сплаве изменили свое взаимодействие с никелевой матрицей.

Таким образом, характеризуют изменения в структуре данного никелевого сплава и делают вывод, за счет каких химических элементов произошли изменения в структуре никелевого сплава.

Математическая обработка проводилась по шести параллельным определениям для каждой группы образцов.

В таблице 1 представлены результаты измерений I_ан/I_cp (I_ср - интенсивность линии Ni₂₂₅₄) исследуемых образцов: термообработанных (отожженных) и без термообработки (исх.).

В нижних строках таблицы 1 отображены средние значения относительных интенсивностей и представлены значения критерия Фишера. Необходимо отметить, что для шести пар критическое значение Фишера при доверительной вероятности 0,95 равно 4,96, а при доверительной вероятности 0,99 равно 10,04 соответственно. Ниже критического значения образцы считаются неразличимыми.

Различные линии одного и того же химического элемента имеют различную чувствительность к структурной перестройке. Так, например, выявлено, что линия алюминия Al₂₅₆₇ значительно чувствительней к изменению структуры данного никелевого сплава, чем линия алюминия Al₃₉₆₁. Линия Mg₂₇₇₇ значительно чувствительней к изменению структуры данного никелевого сплава, чем линии Mg₂₇₉₅ и Mg₃₈₃₂. Линия Cr₂₉₈₉ значительно чувствительней к изменению структуры данного никелевого сплава, чем линия Cr₄₂₅₄.

Ниобий и кобальт не реагируют на изменения структуры данного никелевого сплава.

Измерения молибдена и вольфрама проводились на приборе ARL 4460.

Результаты измерений показали, что после термообработки интенсивность по молибдену увеличилась, а по вольфраму уменьшилась. Это можно интерпретировать так, что взаимосвязь молибдена с матричным элементом (никелем) ослабилась после отжига, а взаимосвязь вольфрама с никелем увеличилась.

Интенсивности алюминия, ванадия, циркония, железа, кремния, магния, марганца, хрома и титана после отжига увеличились. Это можно интерпретировать так, что взаимосвязь этих элементов с матричным элементом (никелем) ослабилась после отжига.

Дополнительно проведен контроль элементного состава образцов путем применения атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой. Этот метод показал неизменность химического состава до термообработки и после термообработки сплава.

Установлено, что, варьируя температурой и временем термообработки, можно выявить последовательность движения определенных химических элементов и объяснить перестройку структуры никелевого сплава.

Информацию, полученную заявленным способом, можно использовать для контроля состояния никелевых сплавов при диагностике их качества. Способ обеспечивает высокую точность и информативность контроля не только элементного состав никелевого сплава, но и для его структуры.

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при оценке влияния структуры никелевого сплава на аналитический сигнал при проведении эмиссионного спектрального анализа элементного состава. Способ включает измерение интенсивностей входящих в состав никелевого сплава химических элементов эмиссионно-спектральным методом на исходных и термообработанных образцах, что позволяет обеспечить высокую точность и информативность контроля элементного состава и структуры никелевого сплава. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ контроля структурных изменений в никелевых сплавах, в котором эмиссионно-спектральным методом измеряют интенсивности химических элементов исходного образца никелевого сплава, подвергают исходный образец никелевого сплава термообработке в течение 10 часов при температуре 1000°C с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры и эмиссионно-спектральным методом измеряют интенсивности химических элементов термообработанного образца никелевого сплава, сравнивают полученные значения интенсивности для каждого химического элемента в исходном образце с соответствующим значением интенсивности того же элемента в термообработанном образце и по разнице в значениях интенсивностей химических элементов констатируют наличие структурных изменений с выявлением химических элементов, обеспечивающих упомянутые структурные изменения.

2. Способ по п. 1, в котором при проведении эмиссионно-спектрального анализа выбирают спектральные линии в диапазоне от 190 до 550 нм в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

3. Способ по п. 1, в котором дополнительно осуществляют анализ элементного состава никелевого сплава химическими методами.