一种高通量测定充氢镍基高温合金氢逸散率的方法与流程

本发明属于高温合金及其表征，具体涉及一种高通量测定充氢镍基高温合金氢逸散率的方法。

背景技术：

1、到2050年，全世界将有25％的碳排放来自航空业，使其成为全球气候温室气体排放增长最快的来源之一，传统燃油动力排放是重要因素，碳排放中由航空煤油燃烧产生的占到79％。燃烧值高、资源丰富、燃烧产物清洁的氢成为现有传统化石燃料的潜在替代者。氢作为绿色清洁能源成为未来航空业发展的重要趋势，近年来氢燃料航空发动机备受关注。

2、氢燃料燃气涡轮发动机是未来清洁航空的支撑，航空发动机会面临氢环境进而对组织和性能产生影响。镍基高温合金作为燃气涡轮发动机热端部件中应用最广的高温结构材料，了解涉氢环境对高温合金的影响具有重要意义。在研究氢对高温合金影响时，通常需要对材料进行充氢处理，这包括了将合金试样直接置于高温高压的氢气环境(高压气相充氢)或者电化学充氢液(液相充氢)的环境中进行拉伸试验(外氢环境)，也包含将合金置于高温高压的氢气环境或者电化学充氢液环境充氢一段时间(内充氢)，待充氢结束后再进行力学性能测试。上述过程，可以在合金中带入一定浓度的氢，模拟服役环境，研究氢对合金组织和性能的影响。

3、然而，由于氢与镍并不形成化合物，且氢在镍基高温合金中的溶解度极低，因此在内充氢后(气相、液相均会)高温合金中的氢会倾向于重新逸散到大气环境中，使后续研究中合金的氢浓度降低。特别是一些力学性能测试时间较长，不同的阶段材料的变形和断裂机制也有所不同，再叠加氢浓度的变化因素，对了解高温合金在氢环境中实际的力学性能损伤机制存在困难。因此，了解充氢后高温合金试样中氢浓度随时间的连续变化规律，即了解氢在高温合金中的逸散率影响至关重要。特别是充氢结束几分钟至几小时内的时间段内变化最大，而当以最初的几分钟内逸散率非常敏感，保证实验的时效性显得尤为重要。传统稳态高温合金精确测量氢含量的方法往往采用惰性气体脉冲加热-热导法，精度可达0.2～1ppm。该方法通常要求严格的试样尺寸和表面光洁度，因此需要进行精密加工成规定的特定尺寸和表面光洁度。而加工时间往往很长，通常为小时级，难以保证测试的时效性。如果对内充氢试样若进行传统的机加工气体分析试样，再进行精确的氢含量分析，其时间已远远超过的氢浓度变化(逸散率)敏感时限(分钟级)，另外机加工气体试样会给表面带来污染，切割和机加工带来的热量也会促进氢从材料中的逸散，从而对测量结果造成不利影响。现有技术也有采用热脱附分析(tda)的方法，但该方法往往采用质谱，仅能对氢含量进行半定量分析，精度难以保证，且测试时间达小时级，效率低，在测量精度和时效性上都无法满足上述要求。

4、当前研究大部分针对不同的充氢时间有多少氢可以大致进入到高温合金中，而针对随后的实验过程不同时间氢浓度的变化，即不同时间氢逸散脱离高温合金的研究未见报道。有关氢逸散率测试要求的时效性和精确性，当前也缺乏相应的测试方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是：为了解决上述问题，本技术提出了一种高通量测定充氢高温合金氢逸散率的方法，旨在解决内充氢后高温合金材料从分钟级到小时级跨度上氢逸散率的高效精确测量问题。

2、为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

3、一种高通量测定充氢高温合金氢逸散率的方法，所述方法通过高压气相充氢或者电化学液相充氢为高温合金引入氢环境，采用标准圆柱试样或薄板状试样结合的方式充氢，采用多根试样工字形或圆形均匀排布，利用不同的充氢时间和试样形状一次试验获得合金不同平均氢浓度和渗氢层厚度试样；采用冷剪工艺快速切取充氢试样保证取样的及时性并避免常规切割热效应，利用惰性气体脉冲加热-热导法(igpf-tc)精确测定整个试样的平均氢含量，考虑实际渗氢深度获得高温合金充氢区实际氢浓度；将试样放置在空气环境中，经不同时间测量试样氢浓度，获得氢浓度减少和时间的对应关系，进而获得充氢高温合金在大气环境的氢逸散率。

4、具体地，所述方法包含以下步骤：

5、(1)制备高温合金块体材料，加工成所需要组织状态的高温合金；

6、(2)将合金加工成规长部分直径为标准拉伸试棒和截面厚度为0.5～3mm的板状薄截面试样，以满足氢渗透试样和表层氢试样逸散率的差异化测试要求；

7、(3)采用高压气相充氢或者电化学液相充氢为高温合金试样引入氢环境；

8、当电化学液相充氢时，采用pt作为阳极，高温合金试样作为阴极，将充氢液倒入烧杯，同时采用4～6根高温合金试样以“工字”或者“环形”等距排布同时充氢，pt电极位于中央位置；

9、(4)充氢不同时长，在1h～240h内的不同时间取出试样以获得不同氢浓度的高温合金试样；

10、(5)按照充氢时间计划取出充氢高温合金试样，清洗表面的充氢液，再对试样表面进行清洁，并冷风吹干，防止温度对试样氢浓度带来影响；

11、(6)将充氢后试样放入拉伸试验机快速拉断；

12、(7)同时将其它充氢后的高温合金试棒从中心对剖剪断，冷切截取过程不会带入热量从而不会造成氢在温度作用下解吸，再沿着长度方向中心点两侧快速剪取约3～8mm(优选5mm)长的小段，采用惰性气体脉冲熔融-热导法测量合金中的氢含量，典型测试时间1～2分钟(在测试前做好准备，包括设备启动和仪器校准，确保来样短时快速测试，仪器校准采用未充氢同尺寸冷剪切空白试样)；

13、(8)以不同的时间间隔继续重复上述截取试样和气体测试过程，在大于等于2min的时间间隔，获得充氢停止后高温合金在大气环境下静置不同时间高温合金的氢浓度；

14、(9)针对于整个渗透高温合金试样，与原始氢含量相比，获得合金随时间变化的氢逸散率；

15、针对于表层渗氢试样，根据氢扩散定律计算或通过表面断口观察脆性区厚度确定渗氢层厚度；获得合金试样精确的局部氢浓度随时间变化规律，进而获得合金随时间变化的氢逸散率。

16、其中，表面表面富氢层厚(x)，空白试样氢浓度(h心)，取出后不同时间对应的平均氢浓度(h浓)，以及试棒的半径(r),通过下列公式获得试样表层局部氢浓度(h环)：

17、h环＝h浓*πr2-h心*π(r-x)2)/πr2-π(r-x)2

18、步骤(9)能够实现：根据厚度所处氢环的面积计算表面所占整个截面的面积比，进而获得实际充氢区的局部氢浓度(如为充透试样，该区域的氢浓度要高于实测的平均氢浓度)，刨除截面尺寸对氢浓度和逸散率的影响，精确确定实际氢浓度和逸散率，并有效建立其与动态力学性能测试不同阶段的关联性。

19、具体地，步骤(1)中采用真空感应熔炼和氩气雾化制粉、热等静压固结成形、增材制造等方法制备高温合金。

20、具体地步骤(4)中不同时间具体是指(但不限于)4h、6h、8h、12h、24h、48h、96h、120h、240h。

21、优选地，步骤(5)中用流动的清水清洗表面的充氢液；采用脱脂棉沾无水酒精对试样表面进行清洁；用吹风机大风力冷风吹干，防止温度对试样氢浓度带来影响。

22、优选地，步骤(7)中所述试棒用清洗干净确保没有油污的液压钳或钢筋钳剪断。

23、具体地，步骤(8)中所述时间间隔选择(但不限于)2min，5min,10min,15min，30min,60min,90min,120min,180min,240min。

24、在另外的技术方案中，在步骤(7)后步骤(8)前还在内充氢后试样叠加加热处理的方式，并利用惰性气体脉冲熔融-热导法测量方法快速精确测试氢含量，研究温度对氢逸散的影响，以适应高温力学性能测试氢浓度的变化规律；

25、本技术方案采用标准圆柱试样或薄板状试样结合的方式充氢，以适应氢对燃气涡轮发动机不同服役环境部件壁厚的影响(如厚壁涡轮盘件和薄壁涡轮叶片等)；采用多根试样工字形或圆形均匀排布再结合不同的充氢时间，可在一次试验高效获得不同成分、状态的合金不同平均氢浓度和渗氢层相对厚度的试样。采用冷剪工艺快速切取充氢试样保证取样的及时性并避免常规切割热效应，配合惰性气体脉冲加热-热导法(igpf-tc)可实现分钟级精确测定上述整个截面试样的平均氢含量，考虑实际渗氢深度获得高温合金表层局部充氢区氢浓度。将试样放置在空气环境中，经不同时间暴露可连续测量试样氢浓度，获得氢浓度、氢浓度降低和时间的对应关系，进而获得充氢高温合金在大气环境中不同时间的氢逸散率。

26、本发明的有益效果是：

27、本技术的一种高通量测定充氢高温合金氢逸散率的方法，为长时动态氢致力学性能损伤和氢含量的对应关系的建立提供支撑。有了高温合金在大气中逸散率数据，可以知道充氢后高温合金在大气中存放不同时间的氢含量，配合多种高温合金不同时长的力学性能测试，进而更准确的评价合金的氢脆指数。具体有以下效果：

28、(1)解决的传统精确测氢法(惰性气体脉冲加热熔融-热导法)试样加工和测试均无法满足充氢高温合金氢逸散率测试时效性的要求。

29、(2)通过薄板薄截面和传统标准圆截面试样结合的方式充氢，充分考虑了充氢厚度对浓度的影响以及不同部件的实际工况(厚截面如涡轮盘件、薄截面如涡轮叶片)。

30、(3)利用理论计算或实际表面断口相结合的方式确定实际充氢层厚度，特别是针对未充透试样而言，为氢浓度的更准确测定提供支持。

31、(4)采用液压钳或者钢筋剪快速冷剪切试样，速度快，不会像传统切割(砂轮或电火花线切割)引入热量造成氢额外逸散，测试结果更准确。

32、(5)采用等距工字形或环形排布多试样同时充氢，可以同时实现更多成分和热处理状态合金以及更多的时间点氢逸散率的测量，从而获得从早期分钟级逸散到长期小时计逸散的全时间段覆盖，有效满足不同合金、不同时长和不同类型气体测试和力学性能测试的对应性要求。

33、(6)采用pt的正电极在中心，外围等距均布一圈阴极高温合金试样的方法，可以一次实验做出多根充氢试样，还可以保证电流密度的一致和稳定。

34、(7)还可在内充氢后试样叠加加热处理的方式，并利用前述方法快速精确测试氢含量，研究温度对氢逸散的影响，以适应高温力学性能测试氢浓度的变化规律。

35、(8)现有技术往往适合测量充氢时间累计的影响以及采用tda半定量测试对应氢浓度，本技术可以测试充氢后随时间的氢逸散率，并且通过特殊试样和测量步骤组合可以实现igpf-tc的即时精确测氢浓度。

36、(9)采用惰性气体脉冲熔融-热导法测试不同时间氢浓度,典型测试时间1min，全部熔化高温合金样品，不会有明显的氢扩散；相比而言tda在固相线温度以下的非熔化测试(往往需要小时级测试时长)，会严重影响氢扩散。

37、(10)传统方法测试氢脆指数时，即便同一合金公开报道的也大相径庭，主要原因就是没有考虑到充氢后氢逸散率的问题和截面尺寸效应，而现有技术行也无法有效快速精确测定氢的逸散率，本方法可快速精确高通量获得充氢高温合金在大气环境的逸散率，可为较准确的建立材料氢脆指数的精确测定一致性关系提供支撑。

38、(11)在通过上述方法获得充氢高温合金在大气中的逸散率后，做力学性能测试时就无需严格做对齐试验，只需根据实际力学性能测试的时间点或者力学性能测试过程中的任意阶段时间点找到所对应的实际平均氢含量和表层氢富集层局部氢含量。

39、(12)优选薄壁试样和相对较厚截面试样，以对应不同的应用场景，如薄截面适合高温合金涡轮叶片应用场景，氢的作用可能贯穿整个截面，而厚截面则适合变截面结构件和涡轮盘件等，氢的影响仅作用表面。