一种镍基粉末高温合金中γ´相质量分数的定量测试方法

技术领域

本发明属于定量测试技术领域，尤其涉及一种镍基粉末高温合金中γ´相质量分数的定量测试方法。

背景技术

具有较高使用温度要求的航空发动机的开发继续需要使用镍基，钴基和铁基高温合金作为结构材料。已经广泛研究了高温合金的微观结构，并且在许多文章中可以找到其微观结构与性能的相关信息。简而言之，高温合金的特征在于面心立方（fcc）奥氏体基体（γ），其通过固溶强化和碳化物和几何紧密堆积（GCP）相如γ´相的沉淀硬化。

在以镍基粉末高温合金为代表的新一代航空发动机用的高压涡轮盘材料，由于其自身合金化程度高，制备工艺复杂，对材料中第二相的含量控制精度要求高，尤其是起主要强化作用的 γ´相，例如：美国第一代镍基粉末高温合金René95的技术要求是 γ´相的质量分数为50%，第二代具有损伤容限型镍基粉末高温合金René88DT的γ´相的质量分数为37%，第三代镍基粉末高温合金René104的γ´相的质量分数为51%。苏联的粉末高温合金对γ´相的要求与美国、欧洲对γ´相的要求是一致的，第一代镍基粉末高温合金EP962P中γ´相质量占比为50%，第二代镍基粉末高温合金EP741NP的 γ´相质量占比为60%。

在已经报道出来的文件资料中，对合金中 γ´相均采用质量百分数进行调控，常规的基于体视学原理的定量金相法只能获得二维平面中第二相的面积百分数，然后根据体视学通则 A

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种镍基粉末高温合金中γ´相质量分数的定量测试方法，该方法能够获得镍基粉末高温合金中强化相γ´在合金中的质量占比，填补合金微观组织结构表征技术在三维定量分布方面的空白。

本发明利用电化学提取相是利用合金中不同极化特征-稳定电位或阳极钝化行为的差异，使合金基体处于活化或过钝化状态而被溶解。被提取相所处电位低于其稳定电位，或者虽然电位超过了它的稳定电位，但又进入阳极钝化状态而不被电离。

图1为本发明采用的电解装置示意图，其中，1为烧杯，容积700mL；2为阴极筒，3为容器，4为合金试样；5为循环冷却部件，6为铂丝-阴极，7为管塞，8为管塞，9为电解液，10为管塞，11为铂丝-阳极，12为参比电极；本发明在图1所示的电解装置中进行电解。

本发明提供了一种镍基粉末高温合金中γ´相质量分数的定量测试方法，包括以下步骤：

1）将预处理的质量M

2）将步骤1）得到的试样继续浸泡在5~20vol%盐酸水溶液中，超声至试样表面无附着颗粒，再采用去离子水和乙醇清洗，干燥至恒重，记作M

3）将步骤2）中超声后盐酸水溶液抽滤，得到滤液和带残渣的滤膜；将带残渣的滤膜干燥至恒重，记作M

采用以下公式计算γ´相质量占比：

γ´相质量占比(

在本发明中，1%柠檬酸-1%硫酸铵水溶液、5~20%盐酸水溶液、10%盐酸-甲醇电解液和0.5%的柠檬酸溶液中百分数均表示体积百分数。所述M

本发明为了将合金试样表面残留物，如油脂、吸附的灰尘等去除，本发明优选在进行γ´相电解萃取前须经10%盐酸-甲醇试剂在较低（-5 ~ -10℃）的温度下电解，从而确保后续试验过程中的精确测定。

具体地，所述质量M

将合金试样在10%盐酸-甲醇电解液中电解14~16min，电解温度为-5~-10℃，电解的电流密度为0.1A/cm

具体实施例中，预处理电解的时间为15min；电解温度为-10℃；电流密度为0.1A/cm

预处理后的合金试样表面呈银亮色，光滑无异常凸起。本发明采用分析天平对合金试样进行恒重称量。

在本发明具体实施例中，所述镍基粉末高温合金以第二相沉淀硬化为主要强化机制的金属材料，其内部生成的第二相如γ'相、碳化物相、硼化物相等均能作为强化相对合金材料的性能，尤其是高温性能起到正面积极的效果。

本发明将预处理的质量M

图2为合金试样采用不同处理方法后残留形貌图；其中，（a）和（b）为超声震荡方式处理后残留形貌，（c）和（d）为牛角刀刮擦方式处理后残留形貌。图2说明在阳极保护效应下物理分离方法并不适用，只有采取化学分离的手段使得因阳极保护效应粘附于样品表面的第二相充分脱落。

通过电离，目的相作为不溶沉淀保留在阳极上，在多相电离提取过程中，最常见的也是最难处理的情况是基体γ相污染，镍基高温合金中γ´相和基体γ相在化学性质和电化学性质上非常接近，虽然可以通过调节电解液成分、电流密度等影响极化特征的因素，在含氧酸电解液中，当满足

电解结束后清洗合金试样，干燥至恒重，记作M

本发明将步骤1）得到的试样继续浸泡在5~20%盐酸水溶液中，超声至试样表面无附着颗粒，再采用去离子水和乙醇清洗，干燥至恒重。

所述浸泡的温度为60~80℃，浸泡的时间为10~15min；本发明在热的盐酸溶液中在超声方式下浸泡，超声至样品表面由灰黑色变为银亮色，目视检查样品表面恢复至预处理时状态即为表面附着的颗粒去除完毕，见图4，图4为盐酸处理清洗后试样表面形貌图。

本发明将盐酸水溶液处理后合金试样采用去离子水和乙醇清洗，低温吹风干燥，恒重称量，记作M

本发明将超声后盐酸水溶液抽滤，得到滤液和带残渣的滤膜；将带残渣的滤膜干燥至恒重，记作M

本发明采用以下公式计算γ´相质量占比：

γ´相质量占比(

本发明采用XRD分析收集的残渣；XRD分析条件为：Cu靶，加速电压40kv、管压电流40mA，扫描步长0.02°，2θ扫描范围20~120°。合金为镍基粉末高温合金；测得镍基粉末高温合金中包含35.1~37.1wt%的γ´相。

本发明优选将超声后盐酸水溶液抽滤，得到的滤液移入100mL容量瓶中，根据试样中铝、钴、铬、铁、钼、铌、钛、钨、锆，镍的含量范围，利用ICP化学分析手段获得铝、钴、铬、铁、钼、铌、钛、钨、锆，镍的元素的质量分数或质量浓度。

图5为本发明某些具体实施例γ´相质量占比及元素组成分析流程示意图；具体包括：样品制备后采用10%HCl-CH

本发明提供了一种镍基粉末高温合金中γ´相质量分数的定量测试方法，包括以下步骤：1）将预处理的质量M

附图说明

图1为本发明采用的电解装置示意图；

图2为合金试样采用不同处理方法后残留形貌图；

图3为经电解后合金试样的表面外观图；

图4为盐酸处理清洗后试样表面形貌图；

图5为本发明某些具体实施例γ´相质量占比及元素组成分析流程示意图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种镍基粉末高温合金中γ´相质量分数的定量测试方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

1. 预处理

合金样品用电解液A（10%盐酸-甲醇）电解15min，预处理温度控制在-10℃，调整电压，控制电流密度在0.1A/cm

2. 电解

在电解槽中加入一定量的电解液B（1%柠檬酸-1%硫酸铵水溶液），阴极筒放置于电解烧杯中，标准试样作为阳极用铂丝悬挂于阴极筒中央，浸入深度约为60mm。打开电源开关，调整电压控制电流密度为0.025A/cm

3.清洗

电解完毕后，取出阳极试棒在0.5%的柠檬酸溶液中清洗三次，在蒸馏水中清洗三次后，低温真空干燥，恒重称量，质量记为M

4.分离

在100mL浓度为20%盐酸水溶液中（60℃）中浸泡，15min。将热盐酸溶液及试棒直接进行超声处理至样品表面由灰黑色变为银亮色，将试棒取出，目视检查样品表面恢复至预处理时状态即为表面附着的颗粒去除完毕（见图4）；

5.称量

换取另一干净烧杯用去离子水冲洗试棒数次后，试棒用无水乙醇清洗，低温吹风干燥，再次进行恒重称量，质量记为M

6.抽滤

将清洗后的盐酸溶液放置于真空抽滤装置，选用直径45mm、φ0.1μm的聚四氟乙烯滤膜作为过滤装置，滤后的溶液将溶液移入100mL容量瓶中。滤膜残渣经低温真空干燥，恒重称量，质量记为M

7.XRD分析

将收集的残渣放置于X射线衍射仪，选用Cu靶，测试条件：加速电压40kv、管压电流40mA，扫描步长0.02°，2θ扫描范围20~120°。

8.结果计算

γ´相质量占比(

表1 实施例1中镍基粉末高温合金中γ’相质量占比

实施例2

1. 预处理

合金样品用电解液A（10%盐酸-甲醇）电解15min，预处理温度控制在-10℃，调整电压，控制电流密度在0.1A/cm

2. 电解

在电解槽中加入一定量的电解液B（1%柠檬酸-1%硫酸铵水溶液），阴极筒放置于电解烧杯中，标准试样作为阳极用铂丝悬挂于阴极筒中央，浸入深度约为60mm。打开电源开关，调整电压控制电流密度为0.02A/cm

3.清洗

电解完毕后，取出阳极试棒在0.5%的柠檬酸溶液中清洗三次，在蒸馏水中清洗三次后，低温真空干燥，恒重称量，质量记为M

4.分离

在100mL浓度为20%盐酸水溶液中（60℃）中浸泡，15min。将热盐酸溶液及试棒直接进行超声处理至样品表面由灰黑色变为银亮色，将试棒取出，目视检查样品表面恢复至预处理时状态即为表面附着的颗粒去除完毕（见图4）；

5.称量

换取另一干净烧杯用去离子水冲洗试棒数次后，试棒用无水乙醇清洗，低温吹风干燥，再次进行恒重称量，质量记为M

6.抽滤

将清洗后的盐酸溶液放置于真空抽滤装置，选用直径45mm、φ0.1μm的聚四氟乙烯滤膜作为过滤装置，滤后的溶液将溶液移入100mL容量瓶中。滤膜残渣经低温真空干燥，恒重称量，质量记为M

7.XRD分析

将收集的残渣放置于X射线衍射仪，选用Cu靶，测试条件：加速电压40kv、管压电流40mA，扫描步长0.02°，2θ扫描范围20~120°。

8.结果计算

γ´相质量占比(

表2 实施例2中镍基粉末高温合金中γ’相质量占比

实施例3

1. 预处理

合金样品用电解液A（10%盐酸-甲醇）电解15min，预处理温度控制在-5℃，调整电压，控制电流密度在0.1A/cm

2. 电解

在电解槽中加入一定量的电解液B（1%柠檬酸-1%硫酸铵水溶液），阴极筒放置于电解烧杯中，标准试样作为阳极用铂丝悬挂于阴极筒中央，浸入深度约为60mm。打开电源开关，调整电压控制电流密度为0.03A/cm

3.清洗

电解完毕后，取出阳极试棒在0.5%的柠檬酸溶液中清洗三次，在蒸馏水中清洗三次后，低温真空干燥，恒重称量，质量记为M

4.分离

在100mL浓度为20%盐酸水溶液中（60℃）中浸泡，15min。将热盐酸溶液及试棒直接进行超声处理至样品表面由灰黑色变为银亮色，将试棒取出，目视检查样品表面恢复至预处理时状态即为表面附着的颗粒去除完毕（见图4）；

5.称量

换取另一干净烧杯用去离子水冲洗试棒数次后，试棒用无水乙醇清洗，低温吹风干燥，再次进行恒重称量，质量记为M

6.抽滤

将清洗后的盐酸溶液放置于真空抽滤装置，选用直径45mm、φ0.1μm的聚四氟乙烯滤膜作为过滤装置，滤后的溶液将溶液移入100mL容量瓶中。滤膜残渣经低温真空干燥，恒重称量，质量记为M

7.XRD分析

将收集的残渣放置于X射线衍射仪，选用Cu靶，测试条件：加速电压40kv、管压电流40mA，扫描步长0.02°，2θ扫描范围20~120°。

8.结果计算

γ´相质量占比(

表3 实施例3中镍基粉末高温合金中γ´相质量占比

由以上实施例可知，本发明提供了一种镍基粉末高温合金中γ´相质量分数的定量测试方法，包括以下步骤：1）将预处理的质量M

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。