О повышении чувствительности определения водорода в

ВИАМ/1974-196736
О повышении чувствительности определения
водорода в титановых и циркониевых сплавах
спектральным методом
Т.В. Барашева
И.С. Линдстрем
Ноябрь 1974
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Заводская
лаборатория», т. 41, № 11, 1975 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
О повышении чувствительности определения
водорода в титановых и циркониевых сплавах
спектральным методом
Т.В. Барашева, И.С. Линдстрем
Нами
исследовалась
возможность
увеличения
чувствительности
определения водорода в титановых и циркониевых сплавах при возбуждении
спектра низковольтным импульсным разрядом.
Для повышения чувствительности в интервале концентраций водорода
1–3·10-3% желательно получить поражение образца разрядом с минимальным
отношением диаметра к глубине поражения. Изучали влияние полярности
образца
и
параметров
разрядного
контура
на
интенсивность,
концентрационную чувствительность линии водорода 656,3 нм и размеры
поражения образца разрядом.
Эксперименты проводили на установке ФЭС-1 и спектрографе ИСП-51 с
камерой f=270 мм. При включении образца катодом введение в цепь разряда
дополнительного омического сопротивления приводит к появлению в
спектре мешающих линий титана Ti I 656,56; 655,60, 655,42 и 654,62 нм.
Поэтому в дальнейшем опыты проводили с положительной полярностью
образца, т.к. в этом случае линии титана не возникают.
На
рис.
1
приведены
кривые
изменения
тангенса
угла
наклона
градуировочного графика в диапазоне концентраций водорода 1·10-3–5·10-3% вес.
при изменении омического сопротивления и индуктивности в цепи разряда.
Рисунок 1. Зависимость тангенса угла наклона градуировочного
графика от индуктивности для различных величин введенного
омического сопротивления: 1–3 – соответственно 0,60; 0,30; 0,15 Ом
Однако введение омического сопротивления в значительной степени
уменьшает интенсивность линии водорода. Как видно из рис. 2, наибольшее
различие в интенсивности линии водорода, т.е. наилучшая концентрационная
чувствительность, наблюдается при 0,60 Ом, но интенсивность линии
водорода в этом случае значительно падает.
Рисунок 2. Зависимость интенсивности линии водорода
от введенного омического сопротивления для двух концентраций
водорода: 1 – 0,005%; 2 – 0,0013%
Введение индуктивности при одной и той же величине омического
сопротивления увеличивает интенсивность линии водорода. Поэтому для
получения достаточной концентрационной чувствительности целесообразно
вводить индуктивность 80–100 мкГн с сопротивлением 0,15–0,20 Ом.
При введении индуктивности и омического сопротивления резко
изменяется характер разрушения образца. С увеличением индуктивности
диаметр
пятна
увеличивается
(d)
(рис.
уменьшается,
3)
тем
глубина
значительнее,
поражения
чем
металла
меньше
(h)
омическое
сопротивление контура. Уменьшение отношения диаметра к глубине лунки
приводит к тому, что уменьшается отношение водорода, поступающего в
разряд из поверхностной пленки и загрязнений к тому водороду, который
экстрагируется из металла.
Рисунок 3. Зависимость диаметра, глубины и отношения диаметра
к глубине пятна поражения от индуктивности для различных величин
омического сопротивления: 1, 4, 6 – 0,15; 2, 5, 7 – 0,30; 3 – 0,60 Ом
В результате исследований были выбраны следующие параметры
разряда: омическое сопротивление контура 0,30–0,35 Ом, индуктивность – от
80 до 100 мкГн.
На рис. 4 приведен градуировочный график, полученный в выбранном
режиме (1). Для сравнения приведены градуировочные графики, полученные
при включении образца в качестве катода (2) и в качестве анода (3) без
специально введенного сопротивления и индуктивности.
Рисунок 4. Градуировочные графики для определения водорода
в титане в диапазоне концентраций 0,001–0,02%, полученные
в разных режимах
При
выбранном
нами
режиме
разряда
значительно
улучшается
воспроизводимость результатов анализа – среднеквадратичная относительная
ошибка единичного определения составляет 5–6% (при фотоэлектрической
регистрации) по сравнению с 10–15% при включении образца в качестве
катода. Это может быть объяснено более плавным поступлением водорода в
разряд, т.к. с введением индуктивности увеличивается длительность разряда.
При жестком режиме разряда возможно резкое изменение геометрии разряда
и в связи с этим увеличение ошибки, связанное с тем, что определение
водорода проводится по абсолютной интенсивности линии.
Сравнение
результатов
определения
водорода,
полученных
при
использовании двух режимов импульсного разряда (см. таблицу), показывает
преимущество выбранного режима.
Результаты определения водорода в образцах титановых сплавов, % вес.
№
образцов
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Спектральный метод
образец – анод,
образец – катод,
введены индуктивность
индуктивность и сопротивление
и сопротивление
не вводились
0,0017
0,0023
0,0020
0,0024
0,0019
0,0023
0,0009
0,0020
0,00095
0,0020
0,0012
0,0020
0,0015
0,0020
0,0018
0,0023
0,0022
0,0022
Метод
вакуумной
экстракции
0,0020
0,0020
0,0020
0,0010
0,0010
0,0012
0,0013
0,0020
0,0020
Применение этих же условий для определения водорода в цирконии и его
сплавах позволило получить аналогичные результаты.
Таким образом, найдены параметры разрядного контура, позволяющие
определять водород в титане, цирконии и их сплавах с чувствительностью
≥0,001%.
Для устранения влаги воздуха использовали нейтральные среды разряда:
гелий, аргон, азот при давлении, близком к атмосферному.
При работе в аргоне и гелии (газом с меньшим эффективным сечением)
увеличивается интенсивность линии водорода, но также увеличивается
отношение диаметр/глубина поражения образца, что приводит к ухудшению
концентрационной чувствительности. При работе в азоте наблюдается
увеличение концентрационной чувствительности, но усложняется техника
эксперимента. Для определения содержания водорода менее 1·10-3% вес.
желательно работать в среде осушенного азота или воздуха.