含氮化硼可磨耗涂層化學分析方法試驗研究

孔凡莉

摘要： 國際上，自第三代航空發動機開始，封嚴涂層普遍采用含氮化硼的可磨耗涂層。該類封嚴涂層噴涂材料屬于混合粉末，由金屬粉末、金屬氧化物、二氧化硅、硅、氮化硼等成分組成。原有的成分分析方法耗時長，已無法滿足批量生產的需求。為縮短分析時間，節約分析成本，采用試驗研究的方法，明確了新的分析方法所采用的溶液成分、溶解溫度和所需設備。

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.

關鍵詞： 化學成分；表面技術；試驗；航空發動機

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

中圖分類號：TG174.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）24-0164-02

0 引言

可磨耗封嚴涂層技術在第四代高性能航空發動機中大量使用，是發動機氣路封嚴中的關鍵技術之一。由于該材料屬新型非通用材料，國內現有的分析方法源于國外第三代航空發動機的修理技術。因此，建立一個簡單、快捷、準確、可靠的分析方法勢在必行。

1 含氮化硼可磨耗涂層的化學分析

國際上，自第三代航空發動機開始，封嚴涂層普遍采用含氮化硼的可磨耗涂層。通常，含氮化硼噴涂材料中的氮化硼采用先酸溶解、再過濾，然后對沉淀進行灰化、加熔劑熔融、酸浸、測量等程序，分析周期需要10小時左右；鋁基噴涂材料中二氧化硅則利用硅溶于強堿性溶液中的性質，先堿溶、再酸化、過濾、測量等程序，分析周期需要近6小時；鎳基中的二氧化硅則需酸溶后，加入氫氟酸絡合其中的硅，然后過濾測量，分析周期需近5小時。

總之，原有的分析方法操作復雜、繁瑣，不確定因素較多，完成一批試樣的分析所需時間長。無法滿足第四代航空發動機批量生產的要求。

制約周期的難點在于，如何選擇一種合適的前處理方法，將試樣中所有待測成分全部溶解，達到可分析狀態，具體點如下：

①樣品前處理坩堝的選擇。由于原方法采用鉑金坩堝進行樣品灰化和熔融，且需要雙人管理，造成人力成本和分析成本較高。通過條件試驗，經過對鉑坩堝、銀坩堝、氧化鋯坩堝、鎳坩堝等進行條件試驗，選擇既能滿足批量生產的要求，又能降低成本的坩堝。

②樣品前處理熔劑的選擇。根據樣品成分的特點，選擇合適的堿性熔劑，既能保證試樣全部熔融，又能保證低成本坩堝不受損害，確保樣品中的所有待分析成分全部熔融。

③標準樣品的制備。充分考慮介質、基體等對分析結果的影響，選擇合適的基準試劑和標準溶液配制與試樣匹配的標準樣品，保證測量結果的準確性。

④共存元素的干擾試驗。介質、基底對分析結果的影響，通過條件試驗，選擇合適的方法進行消除和掩蔽，保證分析結果準確可靠。

2 試驗過程

含氮化硼系列封嚴涂層噴涂材料屬于混合粉末，由金屬粉末、金屬氧化物、二氧化硅、硅、氮化硼等成分組成。主量及部分氮化硼具有酸溶性，但其中的氮化硼、硅、二氧化硅無法溶解在酸性介質中，利用這些成分可以與堿性熔劑共熔的特性，通過選擇合適的堿性熔劑，合適的溫度對試樣進行熔融，再利用酸對其它成分的溶解性，最終使試樣全部溶解，達到可分析狀態。配制相應的標準溶液，利用電感耦合等離子體發射光譜儀完成試樣的準確分析。

2.1 熔劑選擇試驗

常見的堿性熔劑有碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鈉-硼砂、過氧化鈉以及一些混合性堿性熔劑等。我們選用碳酸鈉-硼砂雖然可以將試樣熔解，但硼的引入造成試樣中的成分不能同時被準確分析。同時，由于過氧化鈉的強氧化性和強腐蝕性，使用過程中很容易出現危險，而且現有的坩堝和貴金屬坩堝無法適應過氧化鈉的性能，所以放棄了過氧化鈉的使用。

將碳酸鈉、碳酸鉀+碳酸鉀、碳酸鈉+氫氧化鈉、氫氧化鈉作為熔劑，在鉑金坩堝中熔融，與傳統分析方法進行比對，熔劑碳酸鈉+氫氧化鈉、氫氧化鈉在不同溫度下均可以使試樣全部熔融。但碳酸鈉+氫氧化鈉混合熔劑需要用鉑金坩堝并且在1000℃以上才能熔融，不僅分析周期長，而且造成大量的能源浪費。因此，初步確定氫氧化鈉作為熔劑進行以后的試驗。

2.2 坩堝選擇試驗

稱取試樣分別于銀坩堝、氧化鋯坩堝和鎳坩堝中，加入氫氧化鈉熔劑進行熔融。從分析結果可以看出，氧化鋯坩堝中由于含有少量硅，而使試樣中硅的分析結果明顯偏高；鎳坩堝和銀坩堝是用氫氧化鈉熔融該試樣后分析結果與試樣的成分基本相符，但銀坩堝熔融后會變脆而影響使用壽命，從成本上考慮，鎳坩堝是該材料分析的最佳選擇。

2.3 熔融溫度試驗

稱取試樣分別放入6個鎳坩堝中，加入相同量的氫氧化鈉，于高溫爐中升至不同的溫度，保溫30分鐘進行熔融，然后對試樣進行測量。在 650℃時，可以全部熔融，SiO2在 650～700℃溫度范圍內可以全部熔融。因此確定試樣的熔融溫度為 650℃。

2.4 熔劑加入量 、介質影響試驗

將相同量的試樣加入不同量的氫氧化鈉于 650℃進行熔融，確定氫氧化鈉的加入量為 1.5g；氫氧化鈉的量對分析結果影響較大，氫氧化鈉的量越大，分析結果的準確性越低，因此，在進行試樣熔融時，同時制作了試劑空白，保持試樣中介質一致。

2.5 共存元素的干擾試驗

分別配制共存 Al、Si、B、Ni、Cu、Cd 元素的離子溶液，在待測元素較靈敏的分析譜線上進行掃描。通過譜線強度可以看出，上述元素的譜線之間無相互干擾，可作為各元素的分析線。

2.6 標準曲線的配制試驗

不同的基體選擇不同的分析曲線的配制方法，其中鋁基試樣標準曲線的配制方法是將純鋁與試樣同時熔融，然后酸化加入相應的標準溶液配制而成；鎳基試樣標準曲線是將純鎳進行酸溶解，同時與試樣同時制作試劑空白，然后將鎳溶液、試劑空白、標準溶液進行混勻、稀釋，同時保證試樣與標準曲線介質相同。

2.7 準確度和精密度試驗

采取快速法的分析結果與傳統方法的分析結果相比較，其中快速法的分析結果偏高，是因為快速法沒有中間損耗，而傳統分析方法在溶樣、清洗過程中會有少量損耗。

通過對濾液的測量，其含量基本在0.1～0.2%之間，這說明快速法與傳統分析方法的分析結果基本符合，以上說明快速分析法具有良好的準確度。

對同一試樣測量8次，根據分析結果計算氮化硼、SiO2及其它共存元素的相對標準偏差。其相對標準偏差小于1%，均在技術指標要求范圍內。

3 結論

該試驗過程開辟了新的前處理方法，試樣采用鎳坩堝，以氫氧化鈉為熔劑對試樣進行熔融，只要升溫至 650℃就可以把試樣中所有的待測成分全部熔解，經過水溶酸化后，配制相關標準溶液，就可以利用發射光譜儀進行準確分析。

與傳統分析工藝相比，使原來由多種分析方法完成的分析，現在只要一次樣品前處理就可以完成全部待測成分的分析，減少了中間流程對待測成分造成的損失及干擾，具有更高的準確度和精密度。

該試驗提高了工作效率，分析周期由兩個工作日縮至 6 個小時以內，滿足了批量生產的需求；降低了成本，由于采用鎳坩堝代替鉑坩堝；熔融溫度由原來最高升至 1050℃的兩次升溫變成直接升至650℃的一次升溫，不但降低了成本，而且節約了大量的能源。

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