发动机零部件材料（发动机零部件材质的现场快速无损分析及应用）

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发动机零部件材质的现场快速无损分析及应用

李洋 华小明

（西安航天发动机有限公司 陕西省西安市 710100）

摘 要：手持式X射线荧光光谱法（HXRF）具有操作简便、分析速度快、多元素同时检测、可实现无损分析等优点，能够快速确定合金的具体牌号，对发动机零部件材质的现场快速无损分析具有很好的适用性。本文简述了手持式X射线荧光光谱法的工作原理和适用范围。使用Innov-X DPO-2000手持式X荧光合金分析仪对各类牌号金属材料进行实测，测试结果表明示值误差≤±10%，测量重复性≤5%，同一样品30日复测的再现性≤5%。研究了试样状态对检测结果的影响，结果表明该方法对各种表面形貌的零部件都可进行材料牌号的快速识别。编制了《Innov-X DPO-2000手持式X荧光合金分析仪操作规程》，并考察了其在发动机零部件材料无损分析中的实际应用效果。

关键词：手持式；金属材料；检测；无损；快速；X荧光光谱法

1 引言

发动机零件生产过程中，加工及周转工序较多，材料混料现象时有发生，为了确保零件用材的正确性，有必要对零件的材料牌号进行鉴定，保证材质符合图纸要求，消除质量隐患，做到质量放心。因此需要一种简便、可靠、易操作、无损、快速且对被测零件形状大小要求不特殊的现场材料分析方法，以满足零件材料牌号的快速识别。X-射线荧光光谱法（XRFS）能同时测定样品中主、次、微、痕量多元素，线性范围宽，分析速度快，稳定性好，精密度、正确度高；其试样制备简单，对环境友好；能分析各种形状和大小的试样，且不破坏试样，尤其适用于大规模连续分析、过程控制分析、产品质量检验等。马光祖、吉昂等X-射线光谱学家和罗立强、卓尚军等新领军者已作了大量系统研究，XRFS 已成为常规分析方法和标准方法，广泛应用于各领域。

XRFS是利用初级Ｘ射线光子或其他微观粒子激发待测物质中的原子，使之产生荧光（次级Ｘ射线）而进行物质成分分析和化学态研究的方法。1948年，世界第一台波长色散Ｘ射线荧光光谱仪研制成功，经历70年的发展，Ｘ射线荧光光谱仪已成为大多数实验室及工业部门不可或缺的分析仪器设备。按色散和探测方法的不同，Ｘ射线荧光光谱分为波长色散Ｘ射线荧光光谱法（WD-XRF）和能量色散Ｘ射线荧光光谱法（ED-XRF）。随着大规模集成电路和计算机技术的迅猛发展, 现代X射线光光谱仪的各部件也不断小型化, 向机体一体化发展。更环保、更经济、更快捷简便实用且无损的手持式X-射线荧光光谱仪的应用又备受关注。手持式X荧光分析仪是一种集成化的可在现场进行检测的小型ED-XRF分析仪，可用于化学元素成分定量分析、定性检测的智能分析检测仪器，具有快速、准确、无损、方便的特点，无须繁琐的样品前处理。智能化的仪器很好地解决了对非化学分析专业领域里技术人员的知识要求，使应用更便捷，使用人员范围更普及。测定元素范围：一般为S~U或Mg~Th，测试时间<30s，可同时测定25种以上元素。因此，手持式X荧光光谱法对发动机零部件材质的现场快速无损分析具有很好的适用性。

为了进一步验证HXRF在发动机零部件材质分析中的可靠性，我们使用Innov-X DPO-2000手持式X荧光合金分析仪对各类牌号金属材料进行实测，考察其示值误差、测量重复性和留样复测的再现性；研究了试样状态对检测结果的影响。根据设备使用手册编制了Innov-X DPO-2000手持式X荧光合金分析仪操作规程，并考察了其在发动机零部件材料无损分析中的实际应用效果。

2 实验部分

1.1主要仪器

手持式X荧光合金分析仪：Innov-X DPO-2000；厂家：美国伊诺斯公司；元素分析范围：12号元素Mg到94号元素Pu之间的元素；测量范围：0.01~100%。

1.2主要试验材料

合金钢光谱标准物质；不锈钢标准物质；高温合金标准物质；铝合金标准物质；铜合金标准物质；钛合金标准物质；铌合金自制标样；各种规格原材料；车间现场零部件。

1.3试验方法

若被测试样表面不洁净使用酒精擦拭，如果表面有严重氧化皮可选用角向抛光机、锉刀、砂布、砂纸、刮刀等处理至本体，作为检测面。使用手持式X荧光合金分析仪Innov-X DPO-2000对样品进行检测，开机后使用设备自带的校准试块对波峰位置进行校准，选择“合金模式（双光束）”，设置“光束1”持续时间10s，“光束2”持续时间15s，进入分析界面后扣动扳机激发被测样品。对合金钢光谱标准物质、不锈钢光谱标准物质、高温合金标准物质、铝合金标准物质、铜合金标准物质、钛合金标准物质、铌合金自制标样进行检测，计算示值误差。使用1Cr18Ni9Ti标准样品进行重复性测试，对样品进行10次独立检测，计算其重复性。同样使用该样品进行30d留样复测，计算结果的再现性。对已知牌号的不同规格的零件进行检测，并与材料技术标准进行比对，考察检测设备对不同检测面的适用性。考察手持式荧光合金分析仪在发动机零部件材料无损分析中的实际应用效果，案例：1）鉴别螺栓25#与30CrMnSiA混料；2）鉴别管材30CrMnSiA与20CrMnTi混料。

3 结果与讨论

3.1示值误差

示值误差是指测量仪器示值与对应输入量的真值（或约定真值）之差，是评价测量仪器或测量体系的准确度的重要指标。我厂使用的金属材料主要有碳钢、合金钢、不锈钢光、高温合金、铝合金、铜合金、钛合金、铌合金。

表1手持式X荧光合金分析仪对各类合金标准样品的实测值与标准值

由于HXRF不能有效测定C含量，无法鉴别碳钢，因此对合金钢、不锈钢光、高温合金、铝合金、铜合金、钛合金、铌合金的标准样品进行检测，并计算示值误差，结果如表1所示。由表1可看出，手持式X荧光合金分析仪Innov-X DPO-2000对合金钢、不锈钢光、高温合金、铝合金、铜合金、钛合金、铌合金的示值误差≤±10%，准确性能够满足生产使用要求。

2.2重复性

使用1Cr18Ni9Ti标准样品主要元素进行重复性测试，表2为对10次独立检测的实测值以及标准偏差SD和相对标准偏差RSD，RSD是重复性指标，重复性是反应检测方法稳定性的主要指标。由表2可知，Innov-X DPO-2000手持式X荧光合金分析仪的测量重复性≤5%，能够满足生产使用要求。

表2 1Cr18Ni9Ti标准样品主要元素的重复性测试结果

2.3再现性

使用留样复测的方法来考察Innov-X DPO-2000手持式X荧光合金分析仪的长期稳定性。

表3 1Cr18Ni9Ti标准样品首测和复测结果

对同一1Cr18Ni9Ti标准样品首测后30d进行复测，两次检测结果如表3所示，复测结果的再现性≤5%，表明设备的长期稳定性良好，能够满足生产使用的要求。

2.4材料状态的影响

制备平整、光洁的检测面，有利于测试，但车间现场的零件表面基本上都是球面、凹面、曲面、不规则表面等，表面粗糙度不一，很少有标准的检测面。为了发挥手持式荧光光谱仪的原位、现场快速检测等优势，对已知材料牌号的不同形貌的零件进行检测，结果如表4所示，从表数据中可知，被测试样表面状态对于材料牌号鉴定来说没有影响。

表4 不同零件检测结果

手持式X荧光合金分析仪Innov-X DPO-2000能对我厂大多数的零件进行牌号鉴别，但是通过对不同规格零件的检测发现检测面与探测窗口的间隙不能过大，实测结果表明，当间隙大于2mm时，设备将无法有效接收荧光信号，并且设备分析界面将弹出对话框，提示探测窗口距离过大。因此要求分析间隙≤2mm。

2.5现场实测效果

测试结果判定方法：该合金分析仪仅用作合金材料的牌号鉴定，元素测试值不作为定量分析结果。若主要合金元素测试值超出材料技术条件规定的上限或下限，但不超过上限或下限10%时，可判定该元素含量满足合金牌号的要求；但当超过上限或下限10%时，应重新测试，并检查测试操作环节是否正确，必要时提交理化检测部门做进一步检测。例如测试1Cr18Ni9Ti：材料技术条件要求Cr含量为17.0%～19.0%，若合金分析仪测试值是20%时，可认为被测材料Cr含量符合牌号要求，因为Cr含量超上限10%为20.9%，测试值20%小于20.9%。但若Cr含量测试值是21%时，则应重新测试并检查测试操作环节是否正确，或提交理化检测部门做进一步检测。测试值低于下限的方法判定如此类推。

案例一：材质为25#的标准件螺栓怀疑发生混料，共200件，使用手持式X荧光合金分析仪逐件鉴定，排查出80件试样材质为30CrMnSiA，用时2小时；进一步使用火花式光电直读光谱仪验证，结果表明鉴定结果正确率为100%。

案例二：材质为30CrMnSiA的管材热处理后发现硬度不合格，怀疑发生混料，使用手持式X荧光合金分析仪进行鉴别，发现材质为20CrMnTi，共排查出9件管材材质为20CrMnTi，使用火花式光电直读光谱仪验证，结果表明鉴定结果正确率为100%。

上述案例表明Innov-X DPO-2000手持式X荧光合金分析仪能够便捷快速的对原材料及零部进行牌号鉴定，平均单件样品测试时间不大于30s，在发动机零部件材料的现场分析中的实际应用效果良好。

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