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材料是所有工程和產(chǎn)品的物質(zhì)基礎,“一代材料,一代裝備",高性能材料是航空航天工程實現(xiàn)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、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(zhì)結構材料。鋁合金是航空航天中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(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,因其在高溫下仍能保持強度和抗腐蝕性能而被廣泛應用于航空發(fā)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(fā)布的一系列行業(yè)標準,主要用于航空航天工業(yè)的材料、過程和服務。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(chǎn)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(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的應力狀態(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(huán)形鍛件的標準,包括化學和機械要求;AMS 2644規(guī)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(zhì)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(xù)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(guī)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(zhì)元素的允許范圍。對雜質(zhì)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。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(xiàn)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(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(jīng)驗,立足于幫助客戶對相關材料進行質(zhì)量管理或達成行業(yè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分別來自不同客戶測量航空航天材料中的碳氫氧數(shù)據(jù),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??梢詫崿F(xiàn)兩小時的無人值守,大大節(jié)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(shù)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。
圖6:帶有32個位置的坩堝轉盤
領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、篩分設備和德國MICROTRAC MRB(麥奇克萊馳)多功能粒度粒形分析儀等設備。如有需要,可掃描下方二維碼添加客服溝通。
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