含氮化硼可磨耗涂层化学分析方法试验研究

摘要： 国际上，自第三代航空发动机开始，封严涂层普遍采用含氮化硼的可磨耗涂层。该类封严涂层喷涂材料属于混合粉末，由金属粉末、金属氧化物、二氧化硅、硅、氮化硼等成分组成。原有的成分分析方法耗时长，已无法满足批量生产的需求。为缩短分析时间，节约分析成本，采用试验研究的方法，明确了新的分析方法所采用的溶液成分、溶解温度和所需设备。

Abstract： Internationally， since the third generation of aero engines began， sealing coating commonly used boron nitride-containing wearable coating. This type of seal coating material is mixed powder， composed of metal powder， metal oxide， silica， silicon， boron nitride and other components. The original component analysis method is time-consuming and can not meet the needs of mass production. In order to shorten the analysis time and save the cost of analysis， the test method was used to clarify the solution composition， the dissolved temperature and the required equipment used in the new analytical method.

关键词： 化学成分；表面技术；试验；航空发动机

Key words： chemical composition；surface technology；test；aeroengine

中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）24-0164-02

0 引言

可磨耗封严涂层技术在第四代高性能航空发动机中大量使用，是发动机气路封严中的关键技术之一。由于该材料属新型非通用材料，国内现有的分析方法源于国外第三代航空发动机的修理技术。因此，建立一个简单、快捷、准确、可靠的分析方法势在必行。

1 含氮化硼可磨耗涂拥幕学分析

国际上，自第三代航空发动机开始，封严涂层普遍采用含氮化硼的可磨耗涂层。通常，含氮化硼喷涂材料中的氮化硼采用先酸溶解、再过滤，然后对沉淀进行灰化、加熔剂熔融、酸浸、测量等程序，分析周期需要10小时左右；铝基喷涂材料中二氧化硅则利用硅溶于强碱性溶液中的性质，先碱溶、再酸化、过滤、测量等程序，分析周期需要近6小时；镍基中的二氧化硅则需酸溶后，加入氢氟酸络合其中的硅，然后过滤测量，分析周期需近5小时。

总之，原有的分析方法操作复杂、繁琐，不确定因素较多，完成一批试样的分析所需时间长。无法满足第四代航空发动机批量生产的要求。

制约周期的难点在于，如何选择一种合适的前处理方法，将试样中所有待测成分全部溶解，达到可分析状态，具体点如下：

①样品前处理坩埚的选择。由于原方法采用铂金坩埚进行样品灰化和熔融，且需要双人管理，造成人力成本和分析成本较高。通过条件试验，经过对铂坩埚、银坩埚、氧化锆坩埚、镍坩埚等进行条件试验，选择既能满足批量生产的要求，又能降低成本的坩埚。

②样品前处理熔剂的选择。根据样品成分的特点，选择合适的碱性熔剂，既能保证试样全部熔融，又能保证低成本坩埚不受损害，确保样品中的所有待分析成分全部熔融。

③标准样品的制备。充分考虑介质、基体等对分析结果的影响，选择合适的基准试剂和标准溶液配制与试样匹配的标准样品，保证测量结果的准确性。

④共存元素的干扰试验。介质、基底对分析结果的影响，通过条件试验，选择合适的方法进行消除和掩蔽，保证分析结果准确可靠。

2 试验过程

含氮化硼系列封严涂层喷涂材料属于混合粉末，由金属粉末、金属氧化物、二氧化硅、硅、氮化硼等成分组成。主量及部分氮化硼具有酸溶性，但其中的氮化硼、硅、二氧化硅无法溶解在酸性介质中，利用这些成分可以与碱性熔剂共熔的特性，通过选择合适的碱性熔剂，合适的温度对试样进行熔融，再利用酸对其它成分的溶解性，最终使试样全部溶解，达到可分析状态。配制相应的标准溶液，利用电感耦合等离子体发射光谱仪完成试样的准确分析。

2.1 熔剂选择试验

常见的碱性熔剂有碳酸钠、碳酸钾、碳酸钠-硼砂、过氧化钠以及一些混合性碱性熔剂等。我们选用碳酸钠-硼砂虽然可以将试样熔解，但硼的引入造成试样中的成分不能同时被准确分析。同时，由于过氧化钠的强氧化性和强腐蚀性，使用过程中很容易出现危险，而且现有的坩埚和贵金属坩埚无法适应过氧化钠的性能，所以放弃了过氧化钠的使用。

将碳酸钠、碳酸钾+碳酸钾、碳酸钠+氢氧化钠、氢氧化钠作为熔剂，在铂金坩埚中熔融，与传统分析方法进行比对，熔剂碳酸钠+氢氧化钠、氢氧化钠在不同温度下均可以使试样全部熔融。但碳酸钠+氢氧化钠混合熔剂需要用铂金坩埚并且在1000℃以上才能熔融，不仅分析周期长，而且造成大量的能源浪费。因此，初步确定氢氧化钠作为熔剂进行以后的试验。

2.2 坩埚选择试验

称取试样分别于银坩埚、氧化锆坩埚和镍坩埚中，加入氢氧化钠熔剂进行熔融。从分析结果可以看出，氧化锆坩埚中由于含有少量硅，而使试样中硅的分析结果明显偏高；镍坩埚和银坩埚是用氢氧化钠熔融该试样后分析结果与试样的成分基本相符，但银坩埚熔融后会变脆而影响使用寿命，从成本上考虑，镍坩埚是该材料分析的最佳选择。

2.3 熔融温度试验

称取试样分别放入6个镍坩埚中，加入相同量的氢氧化钠，于高温炉中升至不同的温度，保温30分钟进行熔融，然后对试样进行测量。在 650℃时，可以全部熔融，SiO2在 650～700℃温度范围内可以全部熔融。因此确定试样的熔融温度为 650℃。

2.4 熔剂加入量 、介质影响试验

将相同量的试样加入不同量的氢氧化钠于 650℃进行熔融，确定氢氧化钠的加入量为 1.5g；氢氧化钠的量对分析结果影响较大，氢氧化钠的量越大，分析结果的准确性越低，因此，在进行试样熔融时，同时制作了试剂空白，保持试样中介质一致。

2.5 共存元素的干扰试验

分别配制共存 Al、Si、B、Ni、Cu、Cd 元素的离子溶液，在待测元素较灵敏的分析谱线上进行扫描。通过谱线强度可以看出，上述元素的谱线之间无相互干_，可作为各元素的分析线。

2.6 标准曲线的配制试验

不同的基体选择不同的分析曲线的配制方法，其中铝基试样标准曲线的配制方法是将纯铝与试样同时熔融，然后酸化加入相应的标准溶液配制而成；镍基试样标准曲线是将纯镍进行酸溶解，同时与试样同时制作试剂空白，然后将镍溶液、试剂空白、标准溶液进行混匀、稀释，同时保证试样与标准曲线介质相同。

2.7 准确度和精密度试验

采取快速法的分析结果与传统方法的分析结果相比较，其中快速法的分析结果偏高，是因为快速法没有中间损耗，而传统分析方法在溶样、清洗过程中会有少量损耗。

通过对滤液的测量，其含量基本在0.1～0.2%之间，这说明快速法与传统分析方法的分析结果基本符合，以上说明快速分析法具有良好的准确度。

对同一试样测量8次，根据分析结果计算氮化硼、SiO2及其它共存元素的相对标准偏差。其相对标准偏差小于1%，均在技术指标要求范围内。

3 结论

该试验过程开辟了新的前处理方法，试样采用镍坩埚，以氢氧化钠为熔剂对试样进行熔融，只要升温至 650℃就可以把试样中所有的待测成分全部熔解，经过水溶酸化后，配制相关标准溶液，就可以利用发射光谱仪进行准确分析。

与传统分析工艺相比，使原来由多种分析方法完成的分析，现在只要一次样品前处理就可以完成全部待测成分的分析，减少了中间流程对待测成分造成的损失及干扰，具有更高的准确度和精密度。

该试验提高了工作效率，分析周期由两个工作日缩至 6 个小时以内，满足了批量生产的需求；降低了成本，由于采用镍坩埚代替铂坩埚；熔融温度由原来最高升至 1050℃的两次升温变成直接升至650℃的一次升温，不但降低了成本，而且节约了大量的能源。

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