一种铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法
阅读说明：本技术 一种铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法 (Preparation method of internal control standard sample for spectral analysis of cast superalloy ) 是由 谢君 侯桂臣 王振江 荀淑玲 盛乃成 周亦胄 孙晓峰 于 2021-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明属于高温合金化学分析技术领域,具体涉及一种铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法。该方法主要包括以下步骤：(1)根据高温合金的元素质量百分比范围确定合金的配料点,利用真空炉进行高温熔体处理后制备成母合金锭；(2)利用定向凝固炉将母合金锭进行二次重熔制备成定向凝固试样,并加工成一定尺寸的试样；(3)对试样进行均匀化热处理,提高成分均匀性。本发明通过控制定向凝固过程中凝固界面前沿的温度梯度G、浇铸温度,抽拉速度等参数得到成分均匀且稳定的试样,对试样表面进行加工处理制成内控标样。本发明方法具有简单易实现,周期短,成分均匀稳定,产品合格率高等优点,大幅降低了传统方法制备试样的成分偏析程度。(The invention belongs to the technical field of high-temperature alloy chemical analysis, and particularly relates to a preparation method of an internal control standard sample for spectral analysis of a cast high-temperature alloy. The method mainly comprises the following steps: (1) determining the batching point of the alloy according to the element mass percentage range of the high-temperature alloy, and preparing a master alloy ingot after performing high-temperature melt treatment by using a vacuum furnace; (2) remelting the master alloy ingot for the second time by using a directional solidification furnace to prepare a directional solidification sample, and processing the directional solidification sample into a sample with a certain size; (3) and carrying out homogenization heat treatment on the sample to improve the component uniformity. According to the invention, the sample with uniform and stable components is obtained by controlling parameters such as the temperature gradient G, the casting temperature, the drawing speed and the like at the front edge of the solidification interface in the directional solidification process, and the surface of the sample is processed to prepare the internal control standard sample. The method has the advantages of simplicity, easiness in implementation, short period, uniform and stable components, high product qualification rate and the like, and greatly reduces the component segregation degree of the sample prepared by the traditional method.)
技术领域
本发明属于高温合金化学分析技术领域，具体涉及一种铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法。
背景技术
高温合金具有较高的温度强度、良好的塑性与断裂韧性、优异的蠕变抗力与疲劳性能及良好的抗氧化热腐蚀性能，成为航空发动机和燃气轮机叶片不可缺少的材料。高温合金的元素组成及含量是其决定性能的关键因素之一。目前光谱分析是检测高温合金化学成分的重要手段，其中最常用的光谱仪是X射线荧光光谱仪、光电直读光谱仪等。光谱仪在设备状态校准、试样类型校准、分析结果校准等过程中都非常依赖光谱分析标准试样或内控标样，以保证设备处于正常的运行状态以及检测结果的准确性及稳定性。因此，制备成分均匀可靠的高温合金光谱分析标准试样是非常有必要的。
目前，制备高温合金光谱分析标准试样或内控标样的方法大多是：利用真空炉制备母合金锭，在母合金锭上直接切割物料进行加工，得到尺寸合适的试样作为内控标样，这种方法简单易操作，但是对于合金化程度高的高温合金来说这种方法很难控制成分均匀性，产品合格率低，无法保证检测结果的准确性和可靠性。
粉状、屑状标准试样可以通过研磨、筛选、混匀等步骤得到成分均匀的标准试样，但是高温合金光谱分析标准试样，尤其是X荧光光谱分析和光电直读光谱分析对试样尺寸有一定的要求，所以很难用这种方法制备高温合金光谱分析标准试样或内控标样。
发明内容
本发明目的是提供一种铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法，通控制定向凝固技术得到偏析小，成分均匀的内控标样，产品合格率高。
本发明采用的技术解决方案是：
一种铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据高温合金的成分范围配制合金原材料，加入50Kg真空感应炉中，经高温熔体处理，处理温度选择高于合金液相线200±20℃的温度下保温3～5min，降温熔铸成母合金锭；
(2)将母合金锭进行切割、打磨除去表面氧化皮后投入定向凝固炉中，采用阶梯式功率5Kw→15Kw→30Kw输送，将合金锭感应熔化，熔化后在高于合金液相线150±20℃进行高温精炼3min～10min；在定向凝固过程中凝固界面前沿的温度梯度G为90±10K/cm，浇铸温度为高于合金液相线80±20℃，浇铸后保温30s～100s，进行抽拉，抽拉速度为100±50μm/s，其中冷却介质为金属Sn，温度为300±50℃；抽拉结束后，试样随炉冷却20min～30min取出，待彻底冷却后进行后处理；
(3)热处理：对试样进行均匀化处理，在低于合金固相线20℃的温度下保温4h～8h，空冷至室温；
(4)加工处理：将试样上部和下部各切去5mm～10mm，然后打磨除去表面的氧化皮，进行抛光，最终得到满足光谱分析的内控标准试样。
所述的铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法，在定向凝固过程中使用的型壳形成七个试样，型壳的顶部设置浇口杯，在浇口杯处设有挡渣板，而且在试样上部设有挡渣板。
所述的铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法，每个型壳内径Φ32～34mm，型壳厚8mm～10mm，型壳高200mm～300mm，浇口杯高100mm～150mm。
所述的铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法，在定向凝固过程中，枝晶间距与凝固界面前沿的温度梯度G和生长速度R有关，在Hunt模型中一次枝晶间距λ1＝KG-0.5R-0.25，K为材料物性参数；随着G或R增加，λ1减小，获得更细的枝晶组织，减小微观偏析。
所述的铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法，采用液态金属冷却定向凝固技术，能够提供高的温度梯度，稳定的生长条件，得到性能良好成分均匀的定向组织，铸造高温合金为镍基高温合金或钴基高温合金。
所述的铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法，步骤(2)中，冷却介质Sn具有较低的熔点232℃，Sn比其他冷却剂密度大，使得在液态介质表面能够存在一层薄的氧化铝颗粒作为定向凝固炉冷热区间的隔热屏障。
所述的铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法，步骤(3)中，对试样进行热处理能进一步使成分均匀化。
所述的铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法，步骤(4)中，将试样上部和下部各切去5mm～10mm，选优质部分做内控标样，然后切割、打磨成直径Φ30mm～32mm、高20mm～30mm符合光谱分析要求的圆柱状试样。
本发明的设计思想是：采用液态金属冷却定向凝固工艺，使合金熔体获得高温度梯度，实现快速凝固，保证合金样品致密度和成分均匀性，以满足内控标样需求。
高温合金光谱分析标准试样或内控标样制备的关键在于试样的冶金缺陷、洁净度及其成分的控制，本发明通过控制定向凝固过程中凝固界面前沿的温度梯度G、浇铸温度、抽拉速度等参数减小微观偏析，抑制冶金缺陷形成，结合双重过滤设置，得到成分均匀且稳定的试样，对试样表面进行加工处理，制成内符合要求光谱分析的控标样。
本发明主要的优点及有益效果是：
1、本发明制备铸造高温合金光谱分析内控标样的方法，通过控制定向凝固过程中各项参数减小试样的微观偏析，抑制冶金缺陷形成，获得横向纵向成分均匀的高温合金光谱分析内控标样，克服了铸造高温合金光谱分析内控标样成分不均匀与缺陷不可控的不足，通过定向凝固方法制备的内控标样元素成分均匀，而且重现性好。
2、本发明使用的设备都是常规设备，易操作，易实现。
3、本发明制备的内控标样为高温合金光谱分析检测提供了可靠的依据，为设备校准、试样校准、检测结果校准提供了很大的帮助。
4、本发明相对于采用直接在真空熔炼得到的母合金锭上取物料直接加工成内控标样的方法，具有能够有效减小成分偏析，保证成分均匀性的优点，解决了其他方法中同一个试样不同部位、不同深度的元素含量不均匀的问题。
5、本发明方法具有简单易实现，周期短，成分均匀稳定，产品合格率高等优点，大幅降低了传统方法制备试样的成分偏析程度。
附图说明
图1和图2分别是型壳立体图、纵截面示意图；图中，1、第一挡渣板，2、第二挡渣板，3、试样，4、型壳，5、浇口杯。
图3和图4分别是DZ40M试样表面孔隙率的表征；其中，图3疏松面积为0.03％，疏松指数为0级；图4中疏松面积为0.01％，疏松指数为0级。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法，主要包括以下步骤：(1)根据高温合金的元素质量百分比范围确定合金的配料点，利用真空炉进行高温熔体处理后制备成母合金锭；(2)利用定向凝固炉将母合金锭进行二次重熔制备成定向凝固试样，并加工成一定尺寸的试样；(3)对试样进行均匀化热处理，提高成分均匀性。
如图1和图2所示，型壳4的顶部设置浇口杯5，在定向凝固过程中使用的型壳4可以形成七个圆柱状试样3，在浇口杯5处水平设有第一挡渣板1，而且在每个试样3上部设有第二挡渣板2，在两个位置设挡渣板能够起到双重净化的作用，提高试样洁净度。每个型壳内径Φ32～34mm(即为试样3的外径)，型壳厚8mm～10mm，型壳高200mm～300mm，浇口杯高100mm～150mm。
以下，将结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例中，铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法，选取的合金为DZ417G，由以下质量百分比的成分组成：C0.13％～0.22％，Cr8.5％～9.5％，Co9.00％～11.00％，Mo2.50％～3.50％，Al4.80％～5.70％，Ti4.10％～4.70％，V0.60％～0.90％，B0.012％～0.024％，Ni为余量。按质量百分比计，以下为本方法制备的DZ417G试样的配料点：C0.19％，Cr9.1％，Co10.0％，Mo3.1％，Al5.42％，Ti4.45％，V0.80％，B0.019％，Ni为余量。
该铸造高温合金光谱分析内控标样制备的方法，包括以下步骤：
1.根据该高温合金的成分范围配制合金原材料，加入50kg真空感应炉中，经高温熔体处理(温度选择高于合金液相线200±20℃的温度下保温3～5min)，降温熔铸成母合金锭。
2.将母合金锭切成合适的尺寸、打磨除去表面氧化皮后投入到定向凝固炉中，采用阶梯式功率输送(5Kw→15Kw→30Kw每段加热时间相同)，将合金锭感应熔化，熔化后升温至1490℃，高温精炼5min；在定向凝固过程中凝固界面前沿的温度梯度G为80～100K/cm，浇铸温度为1430℃，浇铸后保温30s～100s，进行抽拉，抽拉速度为80μm/s，冷却介质为金属Sn，温度为300±50℃。抽拉结束后，随炉冷25min取出，待彻底冷却后进行脱模等后处理。
3.均匀化处理：对试样进行均匀化处理，1220℃±10℃×4h，空冷至室温。
4.将试样上部和下部各切去10mm，然后将优质部分切割、打磨成直径32mm，高25mm符合光谱分析要求的圆柱状试样。
实施例2
本实施例中，铸造高温合金光谱分析内控标样的制备方法，选取的合金为DZ40M，由以下质量百分比的成分组成：C0.45％～0.55％，Cr24.5％～26.5％，Ni9.5％～11.5％，W7.00％～8.00％，Mo0.10％～0.50％，Al0.7％～1.2％，Ti0.05％～0.30％，Ta0.10％～0.50％，B0.008％～0.018％，Zr0.10％～0.30％，Co为余量。按质量百分比计，以下为本方法制备的DZ40M试样的配料点：C0.52％，Cr25.6％，Ni10.7％，W7.7％，Mo0.23％，Al1.0％，Ti0.20％，Ta0.30％，B0.013％，Zr0.20％，Co为余量。
该铸造高温合金光谱分析内控标样制备的方法，包括以下步骤：
1.根据该高温合金的成分范围配制合金原材料，加入50kg真空感应炉中，经高温熔体处理(温度选择高于合金液相线200±20℃的温度下保温3～5min)，熔炼得到母合金锭。
2.将母合金锭切成合适的尺寸、打磨除去表面氧化皮后投入到定向凝固炉中，采用阶梯式功率输送(5Kw→15Kw→30Kw每段加热时间相同)，将合金锭感应熔化，熔化后升温至1520℃进行高温精炼5min；在定向凝固过程中凝固界面前沿的温度梯度G为80～100K/cm，冷却介质为金属Sn，浇铸温度为1440℃，浇铸后保温30s～100s，进行抽拉，抽拉速度为100μm/s，冷却介质为金属Sn。抽拉结束后，随炉冷30min取出，待彻底冷却后进行脱模等后处理。
3.热处理：对试样进行均匀化处理，1300℃±10℃×5h，空冷至室温。
4.将试样上部和下部各切去5mm，然后将优质部分切割、打磨成直径Φ30mm，高25mm符合光谱分析要求的圆柱状试样。
如图3和图4所示，从DZ40M试样表面孔隙率的表征可以看出，符合定向凝固标准试样表面缺陷要求。
从实施例1制备的DZ417G内控标样中随机选15个试样编号为1-1、1-2、1-3、1-4...1-14、1-15对试样上下表面检测Cr、Co、V的含量(wt％)，对结果进行数据统计分析，利用单因素方差分析法验证采用本方法制备出的各个试样化学成分含量的均匀性是否满足光谱分析内控标样的要求。结果见表1-表3。
从实施例2制备的DZ40M内控标样中随机选15个试样编号为2-1、2-2、2-3、2-4...2-14、2-15对试样上下表面检测Al、Cr、Ni的含量(wt％)，对结果进行数据统计分析，利用单因素方差分析法验证采用本方法制备出的各个试样化学成分含量的均匀性是否满足光谱分析内控标样的要求。结果见表4-表6。
表1是DZ417G试样中Cr元素的均匀性检验结果
表2是DZ417G试样中Co元素的均匀性检验结果
表3是DZ417G试样中V元素的均匀性检验结果
表4是DZ40M试样中Al元素的均匀性检验结果
表5是DZ40M试样中Cr元素的均匀性检验结果
表6是DZ40M试样中Ni元素的均匀性检验结果
表1-表6表明看，本发明制备的高温合金光谱分析内控标样均匀性良好，符合研制生产光谱标准试样的要求，能够作为高温合金光谱分析的内控标样。另外，本发明中制备的铸造高温合金光谱分析内控标样，可以应用在光电直读分析、原子发射光谱分析以及X射线荧光光谱分析中。
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