应用案例 | 航空航天材料中的非金属元素检测与分析
时间：2024-05-16 阅读：260
材料是所有工程和产品的物质基础，“一代材料，一代装备”，高性能材料是航空航天工程实现高可靠性、长寿命和低成本的保障，促进了新型飞机、运载火箭、卫星、载人航天器的研制成功和投入使用。
航空航天材料及其应用
航空航天材料包括先进金属材料（铝合金，钛合金，高温合金等）、陶瓷材料、高分子材料、复合材料等。随着飞行器减重需求的日益增长，铝及铝合金越来越受到重视，与钛合金及复合材料并称为航空航天领域的三大轻质结构材料。铝合金是航空航天中常用的金属材料之一，主要是因为它们的密度低，同时具有良好的力学性能和加工性能。钛合金以其高强度、低密度、优异的耐腐蚀性和耐高温性能而在航空航天中占有重要地位，它们用于航空发动机和高性能飞机的关键结构，以及航天器的部件。高温合金，尤其是镍基合金，因其在高温下仍能保持强度和抗腐蚀性能而被广泛应用于航空发动机的热端部件。
从航空AMS标准看材料检测的必要性
航空航天材料的分析检测绕不开AMS（Aerospace Material Specifications）标准，它是由SAE International发布的一系列行业标准，主要用于航空航天工业的材料、过程和服务。这些规范确保材料和产品满足特定的要求，以保障它们在航空航天领域中的安全和可靠性。AMS标准包括了对金属、合金、复合材料以及其他许多类型的材料和产品的详细要求。例如，AMS 2750涉及热处理设备的校准和操作要求，为热处理过程的控制和质量保证提供了指南；AMS 2430涉及喷丸处理，确保喷丸过程能够提供一致和可重复的应力状态，以提高金属部件的疲劳性能；AMS 4911规定了钛合金Ti-6Al-4V板材、带材、锻件和环形锻件的要求，包括化学成分、力学性能和微观结构；AMS 5662定义了镍基合金Inconel 718棒材、锻件和环形锻件的标准，包括化学和机械要求；AMS 2644规定了无损检测用的磁粉和渗透液的要求，确保这些检测化学品的性能和质量；AMS 2770针对铝合金热处理的特定要求，确定了合金的预处理、热处理以及后续的冷却和时效处理的标准。
对非金属元素进行检测的必要性
AMS标准涵盖了材料的化学性能、机械性能、物理性能、微观结构特性和制造过程要求等方面。用途最为广泛的铝合金、钛合金及镍基高温合金都有相应的材料标准，在日常的材料性能检测中，除了主合金元素（通常含量大于1%），微量的非金属元素也是重要的检测部分，以确保这些元素含量在允许的范围。
以钛合金为例，AMS 4911规范针对Ti-6Al-4V钛合金的化学成分有明确的要求，包括主要合金元素和杂质元素的允许范围。对杂质元素的限制是为了确保合金具有良好的机械性能和加工性能。例如，氧和氮的过量可能会导致合金变脆，而氢的过量可能会导致所谓的氢脆现象，甚至在应力作用下突然断裂。具体而言，对于AMS 4911标准中Ti-6Al-4V合金的杂质元素，氧通常不超过0.20%；碳通常不超过0.08%；氢通常不超过0.015%；氮通常不超过0.05%。
数据来源：SAE International (Revised 2019)
案例分享
用Eltra元素分析仪检测材料中的非金属元素
对上述典型航空航天材料包括铝合金、钛合金和高温合金的检测与分析是Eltra元素分析仪的典型应用，我们在该领域积累了丰富的经验，立足于帮助客户对相关材料进行质量管理或达成行业标准。
测量原理：Eltra ONH分析仪是一台惰性气体熔融燃烧分析仪，使用红外检测器检测样品中氧元素，热导检测器则检测样品中的氮元素和氢元素。
图1：带自动进样器和自动清扫装置的ONH分析仪
数据展示：埃尔特的ONH元素分析仪可以用于检测各种类型的航空材料，以下数据分别来自不同客户测量航空航天材料中的碳氢氧数据，ELTRA的ONH设备很好地完成了客户的检测要求，为客户判断材料是否符合相应的航空标准奠定基础。
钛合金ONH检测示例
图2：客户A检测钛合金中的氧、氮元素
图3：客户B检测钛合金中的氢元素
铝合金检测示例
图4：客户C检测铝合金中的氢元素
镍基高温合金检测示例
图5：客户D检测镍合金中的氧元素
值得一提的是，ELEMENTRAC ONH-p2的新型自动进样器具有一个带有32个坩埚位置的样品转盘，以及一个配套设计的坩埚盒。可以实现两小时的无人值守，大大节约了测试人员的时间。坩埚无需人工排列，自动进样装置可将坩埚自行排列整齐。同时对于不同的检测样品，测试人员可以提前将样品在软件和转盘位号中一一设置对应，一次性获得不同样品的分析结果。这也是目前市面上自动进样数量最多的ONH元素分析仪器。高效的设计非常适合需要大批量检测的机构。
图6：带有32个位置的坩埚转盘
领拓仪器作为弗尔德的代理商，拥有Carbolite•Gero (卡博莱特·盖罗)烘箱、马弗炉，Eltra (埃尔特)碳//氧/氮/元素分析仪，德国Retsch (菜驰)粉碎、研磨、筛分设备和德国MICROTRAC MRB(麦奇克莱驰)多功能粒度粒形分析仪等设备。如有需要，可扫描下方二维码添加客服沟通。