Введение

Важнейшим условием выпуска качественной продукции металлургии является наличие аналитического контроля химического состава выпускаемых сплавов. Контроль химического состава сплавов в настоящее время невозможно представить без экспрессных спектральных методов анализа [1]. Для проведения градуировок спектральных приборов, в частности оптико-эмиссионных спектрометров, необходимы монолитные стандартные образцы состава сплавов [2].

В ВИАМ с 40-х годов прошлого столетия был начат выпуск стандартных образцов (СО) состава сплавов (ранее такие образцы назывались эталонами). Необходимость выпуска эталонов диктовалась в те годы стремительным развитием материаловедения, разработкой новых сплавов авиационного назначения, развитием спектроскопии и совершенствованием приборов для нее. Эталоны были необходимы для градуировки спектрографов при выполнении спектральных экспресс-анализов химического состава сплавов. Выпускались эталоны в виде стержней диаметром 6–15 мм. Первые эталоны, выпущенные в ВИАМ, были на алюминиевой и железной основах. Позднее был налажен выпуск эталонов на магниевой и никелевой основах. В настоящее время разрабатываются и находят применение в авиакосмической технике и на предприятиях авиационного и машиностроительного комплекса современные высоколегированные жаропрочные никелевые сплавы для лопаток газотурбинных двигателей и дисков турбин, а также сплавы для деталей горячего тракта и др.; разрабатываются новые алюминиевые сплавы систем Al–Li, Al–Cu–Li и др. Это позволяет решить задачи совершенствования авиакосмической техники – повышение ресурса и надежности, снижение массы [3–7], поэтому требуются стандартные образцы состава сплавов для контроля качества полуфабрикатов и изделий [8]. За эти годы в ВИАМ накоплен большой опыт по выпуску СО различных типов и форм [9–11].

В настоящее время в ВИАМ продолжаются работы по выпуску отраслевых (ОСО) и государственных (ГСО) стандартных образцов состава сплавов на никелевой, магниевой, алюминиевой, титановой и железной основах. Аттестация ГСО проводится совместно с ФГУП «ВНИИОФИ» с использованием государственного первичного эталона ГЭТ 196–2011 [12–16].

Специалисты, применяющие для оптико-эмиссионного анализа металлов и сплавов современное оборудование, знают, что выпущенные в 40–70-е годы прошлого века СО в виде стержней диаметром 6–15 см и длиной 100–120 мм не подходят для современных спектрометров по размерам. Важным отличием современных спектрометров от спектрометров старого поколения является расположение электрода. Электрод располагается снизу, а анализируемый образец устанавливается на аналитический столик сверху. Это новшество в конструкции современных спектрометров дало возможность более точно сфокусировать оптический сигнал и установить расстояние между электродом и анализируемой пробой. Вместе с этим возникла необходимость в СО большего диаметра – от 16 до 70 мм. Широкий выпуск СО таких размеров был начат в стране в 80-годы прошлого века. Но уже в 90-е годы объем выпуска СО для спектрального анализа снизился. За эти годы накопился дефицит СО состава сплавов для спектрального анализа, который предприятиям, производящим СО, за короткое время восполнить будет сложно. Дорогостоящие импортные СО часто не подходят по химическому составу для анализа сплавов отечественного производства.

Одним из выходов из создавшегося положения является использование стержневых СО, выпущенных в прежние годы с продленным сроком действия, со специальными адаптерами (переходниками). В настоящее время почти во всех фирмах, поставляющих спектральное оборудование, можно приобрести наборы адаптеров для различных по форме образцов. Для деталей нестандартных форм возможно применение переходников, разработанных на предприятиях. Перед применением на конкретном предприятии для конкретного сплава и комплекта СО необходимо провести исследование влияния адаптера на результаты анализа. Конструктивные особенности адаптера могут отрицательно сказаться на показателях сходимости и воспроизводимости результатов измерений.

Материалы и методы

В настоящее время в ВИАМ для анализа легких сплавов с матрицей на основе алюминия, титана и магния используется многоканальный (128 каналов) оптико-эмиссионный спектрометр Q8Magellan фирмы Bruker (Германия). Прибор укомплектован устройством для очистки инертных газов. Для использования в работе имеющихся стандартных образцов прежних лет выпуска в форме стержней диаметром 6–15 мм закуплен комплект адаптеров: для тонких пластин и фольги с фиксирующей гайкой, для проволоки диаметром 1–5 мм, для проволоки диаметром 3–12 мм, для образцов с малыми размерами высотой до 8 мм. Наиболее часто применяются: адаптер для проволоки диаметром 3–12 мм в виде патрона с кулачками и адаптер для тонких пластин и фольги с фиксирующей гайкой.

Для исследования влияния адаптеров на результаты оптико-эмиссионного анализа выбран комплект стандартных образцов титанового сплава ОТ4 (ОСО 108-00/112–00). Эти стандартные образцы выпущены в двух видах – диаметром 15 и 35 мм.

Результаты

С помощью спектрометра Q8Magellan с использованием стержневых стандартных образцов и адаптеров получены градуировочные графики (см. рисунок).

  Градуировочные графики для определения марганца (а), циркония (б) и кремния (в) в сплаве ОТ4

Измерения для построения градуировочных графиков проводили при стандартных настройках, предлагаемых программным обеспечением к прибору (QMatrix). В предлагаемую программным обеспечением базу стандартных образцов дополнительно внесены стандартные образцы титанового сплава ОТ4 (ОСО 108-00/112–00) с индексами 33÷35. Для каждого образца проводили не менее трех измерений. Все работы по подготовке данных для построения градуировочных графиков проводили с функцией матричной коррекции. С помощью этих графиков получены коэффициенты корреляции: 0,999 – для марганца (λ=263,8 нм); 0,996 – для циркония (λ=349,6 нм); 0,997 – для кремния (λ=251,6 нм).

Проведен анализ производственной пробы сплава ОТ4 с помощью построенных градуировочных графиков с использованием адаптеров и СО диаметром 15 мм и имеющихся рабочих графиков, построенных по СО диаметром 35 мм. Установлено, что средние квадратические отклонения (СКО), полученные при определении указанных выше элементов с использованием СО диаметром 15 и 35 мм, практически не отличаются. Погрешность измерений не превышает значений, установленных ГОСТ 23902.

Обсуждение и заключения

Перед использованием на предприятиях адаптеров для спектрального оптико-эмиссионного анализа необходимо провести пробные работы по градуировке оборудования. На следующем этапе необходимо использовать полученные градуировочные графики при проведении анализа на образцах одного и того же материала СО различной формы. Вывод о возможности использования адаптеров для образцов анализируемых сплавов конкретной формы можно сделать после расчетов и сравнения погрешности измерения по ГОСТ 23902.

При получении неудовлетворительных результатов при работе с магниевыми и алюминиевыми сплавами необходимо провести дополнительную зачистку боковых поверхностей СО и анализируемых проб; возможно также, что одна из причин – недостаточное прижатие кулачков патрона адаптера.

Отраслевые стандартные образцы (ОСО) легких сплавов

В таблице приведен перечень имеющихся отраслевых стандартных образцов состава легких сплавов в форме стержней, которые можно приобрести в ВИАМ.