高温合金材料高速精加工中新表层氧、氮、氢元素检测方法与流程

本发明涉及材料表面质量的检测方法，具体是一种高温合金材料高速精加工中新表层氧、氮、氢元素检测方法。

背景技术：

高温合金材料是指在600～1200℃以上及一定应力条件下长期服役的高温金属材料，其具有优异的高温强度、抗氧化性、抗热腐蚀性、疲劳性能和断裂韧性等综合性能，已成为军、民用燃气涡轮发动机(例如航空发动机)热端零件不可替代的关键材料。由于燃气涡轮发动机所应用高温合金零件长期在600～1200℃的高温和复杂应力环境下服役，其工作条件恶劣，因而对其工作的可靠性要求高，对其各项物理-力学性能要求非常严格。

一般来讲，为了使高温合金零件能够满足技术要求，高温合金零件多采用精锻、整体精铸、单晶精铸、等温锻造、热等静压等近净成形方法或粉末冶金方法制造而成坯件，高温合金坯件须经切削加工后方能成品，高温合金坯件的切削加工为高速精加工处理。高温合金零件在切削加工时，因剧烈的塑性变形和强烈的摩擦，会产生大量的切削热，加之高温合金材料的导热系数本来就很低，从而极易使狭小切削区域内的切削温度升高，最高可达1000℃。在如此高温环境下，周围环境介质中的氧、氮、氢等元素就很容易侵入高温合金零件的切削界面(切削界面即为零件和切屑的剥离面，剥离面使零件和切屑分别生成了新表层)中，从而使切削区域内的刀具表面、零件新表层分别生成相间脆性相，相间脆性相将加剧材料的组织内应力集中，不仅会诱发刀具产生裂纹、甚至崩刃的现象，而且还会恶化高温合金零件的高温力学性能和抗腐蚀能力。

由此可见，如何控制高温合金材料中的氧、氮、氢元素的含量，直接关系着高温合金材料的加工工艺和力学性能。目前，对高温合金材料中氧、氮、氢元素的含量控制，主要是在高温合金材料冶炼或铸造阶段通过严格筛选原材料、提高真空度等手段来降低实现的，使高温合金材料中的氧、氮、氢元素的含量降低至可接受的水平。然而，高温合金材料中氧、氮、氢元素的含量控制方式，无法适用于高速精加工后的高温合金材料新表面的氧、氮、氢元素的含量控制，这是因为：氧、氮、氢等残余气体在高温合金材料中作为有害元素，其与高温合金材料中的主要强化元素(如Cr、Al、Ti和Nb等元素)具有很强的亲和力，加工环境中的氧、氮、氢元素极易在高速精加工过程中侵入高温合金材料的新表层中，去除残余气体氮、氧、氢绝非易事，这也是目前未将经高速精加工后的高温合金材料新表层的氧、氮、氢元素的含量，纳入到高温合金材料表面质量控制范畴之内的原因所在。

若将经高速精加工后的高温合金材料新表层的氧、氮、氢元素的含量，纳入到高温合金材料表面质量的控制范畴之内，则需要涉及到对高温合金材料中的氧、氮、氢元素的含量进行检测，然后根据检测结果制定对加工环境的控制方案，最终实现高温合金材料表面的氮、氧、氢元素的含量控制，即实现高温合金材料表面质量的控制。

目前，高温合金材料中的氧、氮、氢元素含量的检测主要是以红外-热导联合法实现的。红外-热导联合法的工作原理大致为：将一个已知重量的检测试样放置在石墨坩埚中，然后在氦气保护下在电极炉中熔融，氧被碳还原，以CO和CO₂的形式释放，氦载气将释放出来的分析气体经氧化铜炉后，流经质量流量控制器，平稳地进入各种检测池；稀土氧化铜将CO转化为CO₂，红外检测器定量检测CO₂含量；氮被分解并以N₂的形式释放，由热导探测器检测；氢被热分解并以H₂形式释放，经过热稀土氧化铜氧化成H₂O，水汽由专用红外检测池检测，后转化成氢含量。该红外-热导联合法具有检测限低、灵敏度高、稳定性好、可溯源等特点，且已完全实现自动化而使得检测速度快，能够满足实际生产中的质量检验时效性的要求。

然而，红外-热导联合法对送检检测试样的规格要求较高，一般为精处理过的标重为1g的圆柱体。若把高速或超高速精加工后的高温合金零件做成标准检测试样，需要进行线切割、打磨、清洗等诸多工序，其时间周期长，满足不了实际生产的时效性要求；另外，加工环境中侵入的氧、氮、氢元素主要富集于高温合金零件的新表层，并未弥散分布于高温合金零件的内部，若将高温合金零件制作成标准的检测试样，则会使最终的检测结果严重失真。

技术实现要素：

本发明的技术目的在于：针对上述现有技术的不足，提供一种容易操作、简单方便、检测周期短、时效性好、检测结果准确度高的高温合金材料高速精加工中新表层氧、氮、氢元素的快速检测方法。

本发明的设计思路主要是：零件已加工表面-即新表层的形成过程其实就是切屑与零件基体的分离过程，在高温合金材料进行高速精加工切削时，加工环境中的氧、氮、氢元素同时侵入高温合金零件和切屑的剥离面(即它们的各自新表层)中，因此，切屑的新表层中的氧、氮、氢元素的含量理论上和高温合金零件的新表层中的氧、氮、氢元素的含量是相同的；而且，高温合金零件在进行高速精加工切削时，采用的切削深度是比较小的，如此形成的切屑的厚度是比较薄的，这样可以理解为，切屑新表层的氧、氮、氢在切屑内部是弥散分布的，亦即新表层的氧、氮、氢在高温合金零件内部的弥散分布；综前所述，本发明以分离于高温合金零件上的切屑作为检测样本，实现高温合金材料经高速精加工中生成的新表层中的氧、氮、氢元素含量的及时、快速、准确地检测。

本发明实现其技术目的所采用的技术方案是，一种高温合金材料高速精加工中新表层氧、氮、氢元素检测方法，包括下列步骤：

步骤1.对高温合金材料的零件制定高速精加工工艺和检测频度；在高速精加工过程中随着切屑的逐步剥离而在零件上会生成新表层，以剥离于零件的切屑作为检测样本；

步骤2.根据制定的工艺要求对零件进行高速精加工，并以制定的检测频度对高速精加工过程中剥离的切屑作为检测样本进行收集，将收集的各检测样本封装、送检；

步骤3.以红外-热导联合法分别对各检测样本进行氧、氮、氢元素的含量检测；

步骤4.以回归分析法对检测到的各检测样本的氧、氮、氢元素的含量数据进行综合分析处理，得到检测样本综合整体的氧、氮、氢元素的含量数据，进而获得高温合金材料零件在高速精加工中新表层的氧、氮、氢元素的含量数据；所述回归分析法的分析处理计算模型为：

y＝β₀+β₁x₁+β₂x₂+...+β_mx_m+ε；

式中，y为变量-对应元素综合整体的含量数据；

x₁、x₂、...、x_m为自变量-高速精加工的工艺参数；

β₀、β₁、β₂、...、β_m为回归系数；

ε为偶然误差。

作为优选方案，步骤1中制定的检测频度≥3次。步骤2中收集的检测样本的质量≥1g。

本发明的有益技术效果是：

上述检测方法针对高温合金材料在高速精加工过程中所生成新表层中的氧、氮、氢元素的含量检测而提出，其以高速精加工下分离于高温合金零件的切屑作为红外-热导联合法的检测样本，该检测样本不仅能够真实的反应高温合金材料新表层的氧、氮、氢元素的含量数据，而且该检测样本的成型能够大幅缩短制样时间，进而不仅有效降低了制样成本，而且满足了实际生产时对质量控制的时效性要求；

同时，上述检测方法对检测样本中得到的检测数据以对应的回归分析法进行综合分析处理，从而全面、稳定、准确、可靠地获得高温合金材料新表层的氧、氮、氢元素的含量数据，检测结果准确度高，真实性好；

综上所述，本发明具有容易操作、简单方便、检测周期短、时效性好、检测结果准确度高、经济性好、可靠实用等特点；另外，通过上述检测方法能够将高速精加工后的高温合金材料新表层的氧、氮、氢元素的含量纳入到高温合金材料的表面质量控制范畴之内，从而对高温合金材料表面质量的关注实现从表层向内部的延伸，同时对高温长寿命下其它材料的表面质量控制具有指向性意义。

附图说明

图1为本发明的流程框图。

图2为本发明应用于试验例的零件结构示意图。

图3为图2的侧视图。

具体实施方式

本发明为高温合金材料(例如应用于航空发动机热端部件的高温合金材料)在高速精加工过程中，所生成新表层(面)的氧、氮、氢元素的含量检测方法。参见图1所示，本发明包括下列步骤：

步骤1.根据高温合金材料的特性，对高温合金材料的零件制定高速精加工工艺和检测频度，要求制定的检测频度≥3次；在高速精加工过程中随着切屑的逐步剥离而在零件上会生成新表层，以剥离于零件的切屑作为检测样本；

步骤2.根据制定的工艺要求对零件进行高速精加工，并以制定的检测频度对高速精加工过程中剥离的切屑作为检测样本进行收集：收集动作是在停机状态下完成，所收集的检测样本通常为最新产生的切屑，要求收集的检测样本的质量≥1g；将收集的各检测样本装入密封袋封装、送检；

步骤3.以红外-热导联合法分别对各检测样本进行氧、氮、氢元素的含量检测，即根据每一检测样本对红外-热导联合法的检测仪器按其标定流程进行对应标定、检测，直至各频度次的检测样本全部检测完毕；将各检测数据分别记录；

步骤4.以回归分析法对检测到的各检测样本的氧、氮、氢元素的含量数据进行综合分析处理，得到检测样本综合整体的氧、氮、氢元素的含量数据，进而获得高温合金材料零件在高速精加工中新表层的氧、氮、氢元素的含量数据；所述回归分析法的分析处理计算模型为：

y＝β₀+β₁x₁+β₂x₂+...+β_mx_m+ε；

式中，y为变量-对应元素综合整体的含量数据；

x₁、x₂、...、x_m为自变量-高速精加工的工艺参数；

β₀、β₁、β₂、...、β_m为回归系数；

ε为偶然误差。

上述步骤4中，回归分析法的理论基础是最小二乘法和数理统计原理，即根据一个或一组自变量的变动情况预测与其有相关关系的某随机变量的未来值。在科学试验中，常常根据实测得到的多个变量的多组数据，找出变量之间近似的函数关系，即分析处理计算模型。

回归分析法的分析处理计算模型的演变过程具体如下：

一.回归分析基本原理

设变量y与m个自变量(x₁,x₂,...,x_m)存在线性关系(称为回归方程)，见式(1)所示：

y＝β₀+β₁x₁+β₂x₂+...+β_mx_m+ε (1)；

式中，y为变量-对应元素综合整体的含量数据；

x₁、x₂、...、x_m为自变量-高速精加工的工艺参数；

β₀、β₁、β₂、...、β_m为回归系数；

ε为偶然误差；

式(1)中，回归系数的推算、演变过程为：

--设在n组观测数据中，x_j在第i次的观测值为x_ij，则有多元线性回归数学模型，见式(2)所示：

y_i＝β₀+β₁x_i1+β₂x_i2+...+β_mx_im+ε_i i＝1,2,...,n (2)；

式(2)中，ε_i为第i次观测的偶然误差；

--设β₁,β₂,...,β_m对应的最小二乘估计值为b₁,b₂,...,b_m，于是y的观测值y_i见式(3)所示：

y_i＝b₀+b₁x_i1+b₂x_i2+...+b_mx_im+e_i i＝1,2,...,n (3)；

式(3)中，e_i为误差ε_i的估计值，也就是残差；

--设y_i的估计值为则有式(4)所示：

--当残差e_i的平方和Q达到最小时，观测值y_i与估计值拟合得最好，即得如下式(5)：

--通过微分法确定b₁,b₂,...,b_m，即解方程组式(6)：

化简整理可得如下式(7)：

令：

--把方程组式(7)写成矩阵形式，见如下式(8)所示：

(X'X)b＝X'Y (8)；

式(8)中，X'为X的转置矩阵；

--如果记式(7)系数矩阵A，右端常数项为B，则有A＝X'X,B＝X'Y；如果A满秩，即A^-1存在，则有如下式(9)：

b＝A^-1B＝(X'X)^-1X'Y (9)；

--回归方程式(4)则得解；

二.回归方程显著性检验

对于铣削试验数据，因变量y的每次取值y_i(i＝1,2,...,n)是有波动的，全部n次观测值的总偏差大小可用总的离差平方和表示，见如下式(10)所示：

式(10)中，L_yy为总偏差，亦即总的离差平方和；

n为试验水平数；

i为自变量数量；

y_i为自变量y的观测值；

为y_i的平均值；

为y_i的估计值；

Q为残差平方和，自由度为p＝n-m-1，包含试验误差及其他因素；

U为回归平方和，自由度为p＝m，反映自变量本身变化所引起的波动；

总体的回归效果可采用F检验法检验；根据经验先假设置信度α，查F分布表可得F_α(m,n-m-1)的值，若F值大于F_α(m,n-m-1)，则表示总体回归效果显著；另外，也可采用相关系数R衡量回归效果，R²＝U/(Q+U)越趋向于1，表示因变量与自变量之间的相关性越密切。

下面以高温合金NiCr16TiAl为试验例(零件结构如图2和图3所示，具有凸台)，对其进行高速精加工过程中新表层的氧、氮、氢元素的含量快速检测，以此对本发明的技术内容进行详细、清楚、完整地说明，具体包括如下内容：

--试验条件为：所采用机床为VDL-850D立式加工中心；所采用铣刀为直径16mm、2齿的株洲钻石可转位立铣刀(刀片材料代号YBG202)；所依据的切削条件见如下表1所示；切削部位为零件的凸台上表面；

以如此试验条件，对高温合金NiCr16TiAl零件的凸台上表面进行高速精铣加工；

表1

--停机收集最新产生的切屑，装入密封袋送检，质量不低于1g；尽量收集干燥的切屑，若含有切削液，则建议用气枪吹干处理；

--红外-热导联合法所采用的检测仪器为美国力可公司研发的ONH836氧氮氢分析仪；根据各检测样本，按标定流程对检测仪器分别进行标定、检测；检测结果如表1所示；

--采用回归分析法对高温合金NiCr16TiAl，在高速精加工过程中新表层的氧、氮、氢元素的含量检测数据进行分析处理，回归方程见如下式(11)所示：

回归性检验如下：

表层氧元素含量O的F检验值：F＝100000000.00＞F_0.03(10,1)＝672.546，回归效果非常显著，R²＝1因变量与自变量密切相关；

表层氮元素含量N的F检验值：F＝162440.5＞F_0.03(10,1)＝672.546，回归效果非常显著，R²＝1因变量与自变量密切相关；

表层氢元素含量H的F检验值：F＝100000000.00＞F_0.03(10,1)＝672.546，回归效果非常显著，R²＝1因变量与自变量密切相关；

进而获得高温合金NiCr16TiAl零件在高速精加工中新表层的氧、氮、氢元素的含量数据。

以上具体技术方案及具体示例仅用以说明本发明，而非对其限制；尽管参照上述具体示例和具体技术方案对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本发明依然可以对上述具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。