增材制造GH4169高温合金中痕量元素的辉光放电质谱分析与表征

作     者：欧阳宇 

作者单位：钢铁研究总院 

学位级别：硕士

导师姓名：胡净宇

授予年度：2024年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 

主      题：高流速高分辨辉光放电质谱法(GD-MS) 镍基高温合金 增材制造粉末样品 基体效应 痕量元素 不确定度评定 

摘      要：高温合金具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗腐蚀性能、良好的抗疲劳性能、断裂韧性等综合性能,在航空航天领域有着不可撼动的重要地位,是航空发动机的基石。随着增材粉末制备能力和3D打印技术的迅速进步,增材制造镍基高温合金构件已在航空发动机及燃气轮机中得到了初步应用。鉴于微量合金元素及痕量杂质元素对高温合金材料性能的严重影响,如何实现在这种极为复杂的合金体系中对众多严格控制的痕量元素进行准确测定,成为高温合金材料性能性能提升和质量控制亟待解决的难题。 本文基于高流速辉光放电扇形场高分辨质谱法(GD-MS)超高灵敏度、多元素同时测定的强大的痕量分析能力,研究了变形高温合金GH4169的合金块样、增材粉末样和打印件块样中72种元素的质谱干扰、基体效应、校正方案等关键问题,通过与标准RSF、单点校正RSF对照比较,考察了LJ专项中所研制的五个梯度含量、31个痕量元素定值的标准物质进行多点线性拟合的校正RSF的可行性,建立了高流速直流辉光放电分析质谱法分析镍基高温合金63种痕量元素的方法,检出限为0.000 2μg/g～0.5μg/g,定量限为0.001μg/g～1.7μg/g,采用标准物质进行验证,测定结果的相对误差控制在30%以内。以所建立的GD-MS方法分析GH4169、DD5、DD6、DD9、K417等不同类型、不同牌号的镍基高温合金中痕量元素,测定结果和湿法分析参考值一致性良好,且大部分元素的GD-MS分析检出限较湿法低一至两个数量级,相对标准偏差RSD20%。 参照所建立的GD-MS测定镍基高温合金中痕量元素的方法,研究了增材制造高温合金粉末的制样方案,考察了制样压力、碳化钨垫片、辉光直流(DC)/脉冲(Pulse)放电方式、放电参数、预溅射时间、样品表面形貌和致密度等主要分析相关要素,并进一步对GH4169合金块样、增材粉末样和打印件块样等三种样品形态的基体效应进行了考察,确立了镍基高温合金标准物质合金块样的校正方案,建立Pulse-GD-MS对增材制造高温合金粉末中63种痕量元素的分析方法,检出限为0.000 2～1.2μg/g,测定限为0.002～3.9μg/g,测定结果和湿法分析参考值吻合较好。 在此基础上,系统解析了GD-MS测定镍基高温合金中痕量元素分析过程中的测量不确定度来源,其中包括测量重复性引入的不确定度、固体样品均匀性及更换配件(阳极帽、导流管、采样锥)引入的不确定度、RSF校正引入的不确定度等,计算了GD-MS测定镍基高温合金块样、增材粉末样和打印件块中痕量元素分析结果的测量不确定度,评估了分析结果可能的风险,并提出提高测试准确性的方法建议。