CC BY
129
РАЗРАБОТКА, ПРОИЗВОДСТВО DEVELOPMENT, PRODUCTION СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ OF REFERENCE MATERIALS
Статья поступила в редакцию 03.05.2013 УДК 006.9:53.089.68:68:669.018.226
Карачевцев Ф.Н.
Начальник сектора ФГУП «ВИАМ канд. хим. наук
105005, г. Москва, ул. Радио, 17 Тел./факс: (499) 263-86-77 E-mail: [email protected]
РАЗРАБОТКА СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ СОСТАВА АВИАЦИОННЫХ СПЛАВОВ
Приведены сведения о разработанных в ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» стандартных образцах состава авиационных сплавов. Представлены основные принципы разработки и производства стандартных образцов.
Ключевые слова: стандартные образцы, сплавы, принципы разработки.
Летов А.Ф
Начальник лаборатории ФГУП «ВИАМ», канд. хим. наук 105005, г. Москва, ул. Радио, 17 Тел./факс: (499) 263-86-77 E-mail: [email protected]
Проценко О.М. Якимова М.С.
Накопленный отечественный и зарубежный опыт производства материалов авиационного назначения свидетельствует о том, что одним из важнейших условий реализации высоких эксплуатационных и технологических свойств жаропрочных и конструкционных сплавов является стабильность их химического состава. Это обеспечивается увеличением числа легирующих элементов (в жаропрочных сплавах до 15), выплавкой материалов в узких диапазонах легирования, а также обеспечением низкого уровня содержания «вредных» примесей. Изготовление сплавов с оптимальным химическим составом достигается проведением экспресс-анализа сплава в ходе плавки и его своевременной корректировкой, что невозможно осуществить без применения спектрального аналитического оборудования, градуировку которого производят с применением комплектов стандартных образцов состава соответствующих сплавов.
Начиная с 40-х гг. XX в. в ФГУП «ВИАМ» под руководством начальника спектральной лаборатории К.А. Сухенко активно проводилась разработка эталонов и СО для спектрального анализа. За период с начала
1940-х по 1996 г. было выпущено более 300 типов СО [1]. В табл. 1 приведены основные СО состава алюминиевых, магниевых, никелевых, титановых сплавов и сталей, выпущенных ФГУП «ВИАМ», многие из которых успешно применяются на предприятиях отрасли и в настоящее время.
Для установления содержаний массовой доли элементов в СО (аттестации СО) проводились межлабораторные эксперименты с привлечением ведущих научно-исследовательских институтов и заводских аналитических лабораторий авиационной отрасли, обладавших большим опытом в исследованиях химического состава сплавов на различной основе. Длительность цикла от момента начала разработки комплекта СО категории ГСО или ОСО до получения сертификата (свидетельства) составляла от 1,5 до 2 лет.
В начале 90-х гг. XX в. разработка и производство СО в РФ и странах СНГ были практически свернуты (рис. 1) [2], а ряд технологий и технологической оснастки для производства СО утрачен, только отдельные организации продолжили выпуск ГСО [3]. Эти процессы в значительной степени коснулись и ФГУП «ВИАМ». После 2002 г. благодаря усилиям руководства института в ФГУП «ВИАМ» началось восстановление деятельности института с разработки СО для спектрального анализа состава авиационных сплавов.
За последние семь лет ФГУП «ВИАМ» были разработаны и выпущены 19 типов монолитных ГСО для
Таблица 1
Перечень основных типов СО, выпущенных ВИАМ до 1996 г.
Марка сплава Аттестованные элементы
Сплавы на алюминиевой основе: АК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), АК8л (АЛ34), АК7ч (АЛ9), АК5М (АЛ5), АК8М3ч (ВАЛ8), АМ4, ВАЛ10, Д1 (1110), Д16 (1160), АК6 (1360), АК8 (1380, 1105), АМц (1400), В93, В95Пч, В96, 1420, АЦМ, 1177 Cu, Mg, Zn, Si, Zr, Sc, Ca, Na, Li, K, Cd, Bi, Pb, Sn, Sb, Mn, Ni, Ti, Be, Cr
Сплавы на магниевой основе: МЛ5, МЛ8, МЛ10, МА8, МА18 Al, Cd, Zn, Cu, Mn, Si, Ti, Zr, Fe, Ni, Cr
Сплавы на титановой основе: ВТ1-0, ОТ4, ВТ6, ВТ20, ВТ22, ВТ30 Al, Cr, V, Mo, W, Si, Fe, Zr, Mn, Nb, H
Сплавы на никелевой основе: ЖС6Ф, ВЖЛ14, ВКНА-1В, ВКНА-2ЛК, ВКНА-4ЛК, ЖС6К, ЖС6КП, ЖС3ДК, ЭИ698, ВКНА-4У, ЖС6К (примеси), ЖС26 (примеси), Инконель 718 Al, Co, Cr, Ti, W, Mo, Re, Ru, Ta, Fe, Cu, Si, La, Y, Zr, C, S, Pb, Bi, Sb, Sn, Cd, As
Стали: ВКЛ3, ЭИ961, ВНЛ3, ВНЛ9, 17-4РН, 347-1 Ni, Cr, Al, Ti, Mn, V, Mo, W, Si, Cu, C, S
спектрального анализа сплавов на различных основах в виде комплектов. Перечень разработанных ГСО состава сплавов представлен в табл. 2.
Кроме того, за указанный период разработано 9 комплектов СО категории ОСО и 6 комплектов СО жаропрочных никелевых сплавов категории СОП.
Комплекты ГСО состава сплавов для спектрального анализа состоят, как правило, из пяти стандартных
образцов разного состава. Каждый образец представляет собой цилиндр диаметром 30-40 мм и высотой 30 мм.
Разработанные комплекты ГСО (ОСО) используются для градуировки оптико-эмиссионных и рентгенофлуо-ресцентных спектрометров, разработки и аттестации методик измерений, поверки и калибровки средств измерений, оперативного контроля при выполнении
Рис. 1. Динамика утверждения типов ГСО для металлургии в период с 1970 по 2011 г. [2]
Таблица 2
Перечень ГСО, выпущенных ФГУП «ВИАМ» в 2006-2012 гг.
Марка сплава № ГСО Основа Аттестованные элементы
ЖС-32 9078-2008 Ni Al, Co, Cr, W, Mo, Re, Ru, Ta, Nb, V, C, Pb, Bi, Sb, Sn, As, Ag, Se, Zn
ВЖМ4 9427-2009 Ni Al, Co, Cr, W, Mo, Re, Ru, Ta, Mn, Si, Fe
ВКНА-25 9573-2010 Ni Al, Co, Cr, W, Mo, Re, Ti, Si, Fe
ВЖМ4-ВИ 9928-2011 Ni Al, Co, Cr, W, Mo, Re, Ru, Ta, Mn, Si, Fe, P
ВКНА-1В-ВИ 9930-2011 Ni Al, Cr, W, Mo, Ti, Zr, P, Si, Fe, Sn, Co, Hf, La
ВЖМ5У 10124-2012 Ni Al, Cr, Co, W, Mo, Ti, Ta, Re, La, Ce, Y, B, Nb, Si, Fe, Mn, P
ВЖ172 10125-2012 Ni Co, Cr, W, Mo, Al, Ti, Nb, Zr, C, B, Mg, La, Fe, Mn, Si, S, P
ВЖ175ИД 10126-2012 Ni С, Cr, Co, W, Mo, Al, Ti, Nb, V, Si, Mn, Fe, P, S, La, B, Ce, Sc, Mg
В96ц-3пч 8842-2006 Al Cu, Mg, Zn, Zr, Ti, Fe, Si
1420 8841-2006 Al Mg, Li, Zr, Ca, Sc, Na
1163 8918-2007 Al Cu, Mg, Mn, Si, Ti, Fe, Ni, Zn
АЛ9 8917-2007 Al Si, Mg, Fe, Mn, Cu, Ti
1933 9102-2008 Al Zn, Zr, Mg, Cu, Fe, Ti, Be, Si, Mn, Ca, Na, Cr
1441 9397-2009 Al Mg, Li, Cu, Zr, Be, Mn, Ni, Ti, Na, Si, Fe
1424 9609-2010 Al Mg, Li, Zn, Zr, Sc, Mn, Be, Fe, Si, Ca
1370 10122-2012 Al Cu, Mg, Mn, Si, Zn, Ti, Zr, Ni, Ce, Sc, Cr, Fe
В-1341 10121-2012 Al Mg, Si, Mn, Cu, Ca, Na, Cr, Zn, Ti, Fe
МЛ5пч 8919-2007 Mg Al, Mn, Zn, Si, Fe, Ni, Cu, Zr
ВТ18У 9929-2011 Ti Al, Mo, Zr, Nb, Sn, Fe, Si
измерений, экспресс-анализа во время выплавки материала.
На основании опыта разработки, выпуска и применения СО были сформулированы основные принципы, позволяющие успешно изготавливать СО в виде комплектов:
1. Планируемые аттестованные значения массовых долей элементов следует выбирать таким образом, чтобы с запасом охватить весь диапазон содержания основных легирующих элементов и примесей, указанный в ТУ на сплав; это обеспечивает градуировку спектрального оборудования во всем диапазоне содержания элементов по ТУ [4, 5].
2. При расчете состава СО необходимо минимизировать систематические погрешности от интерференции аналитических линий определяемых элементов друг с другом и элементом основы. Этого достигают путем варьирования содержаний мешающего и определяемого элементов в отдельных СО комплекта различным друг от друга образом. Недопустимо, например, монотонно
увеличивать или уменьшать элементы со спектральными наложениями.
3. Массовую долю элемента основы следует поддерживать постоянной во всех СО комплекта. В этом случае устраняется влияние интерференций от линий элемента основы на аналитические линии определяемых элементов.
4. Для получения однородных по химическому составу СО необходимо учитывать технологические особенности выплавки сплавов, выходящих по содержанию одного или нескольких элементов за пределы, указанные в ТУ на сплав, способы и последовательность введения элементов примесей. С этой целью при разработке комплектов СО помимо специалистов в области разработки и применения СО следует привлекать непосредственных разработчиков сплавов.
5. Для получения СО с заданным содержанием примесей необходимо проводить входной контроль качества шихтовых материалов, предназначенных для выплавки материала СО.
6. Изготовление СО (выплавка, термическая и/или термомеханическая обработка и др.) следует проводить по технологиям, максимально близким к технологиям изготовления изделий из сплавов. При этом получают однородные по химическому составу СО, близкие по структуре к полуфабрикатам и готовым изделиям, что уменьшает неопределенность количественного определения элементов спектральными (оптико-эмиссионным и рентгенофлуоресцентным) методами в продукции из авиационных сплавов.
Например, при изготовлении ГСО № 9928-2011 перспективного рений-рутенийсодержащего жаропрочного никелевого сплава ВЖМ4-ВИ выплавка материала СО производилась в вакуумной индукционной печи ВИАМ-2002. Последующей обработкой слитков по технологии высокоградиентной направленной кристаллизации на установке УВНК-9 исключили образование пор, раковин и трещин в материале СО, обеспечили высокую степень однородности и близость структуры материала СО к структуре изделий из этого сплава. Было получено по 12 образцов (диаметром 40 мм и высотой 30 мм) каждого состава.
Полученные материалы СО передаются в Испытательный центр ФГУП «ВИАМ» для проведения исследований однородности распределения элементов и установления значений массовой доли элементов в СО.
Испытательный центр ФГУП «ВИАМ» оснащен современными аналитическим оборудованием, методиками измерений, разработанными и аттестованными в соответствии с ГОСТ Р 8.563-2009, обладает опытным кадровым составом для определения массовой доли элементов в СО состава никелевых, алюминиевых, титановых и магниевых сплавов и сталей атомно-эмис-сионными, атомно-абсорбционными, масс-спектрометрическими, рентге-нофлуоресцентными и химическими методами анализа. В целях проведения межлабораторных испытаний химического состава СО категории «отраслевые стандартные образцы» (ОСО) привлекаются аккредитованные испытательные лаборатории и центры, такие как ИМЕТ УрО РАН, ФГУП «ЦНИИчермет», ООО «НПК ЦНИИТМАШ» и др.
В процессе разработки ГСО состава сплавов ФГУП «ВИАМ» тесно сотрудничает с Государственным научным метрологическим институтом ФГУП «ВНИИОФИ». При этом ФГУП «ВИАМ» выполняет задачи по разработке, изготовлению комплектов СО сплавов для спектрального анализа и исследованиям их химического состава, а ФГУП «ВНИИОФИ» проводит испытания стандартных образцов в целях утверждения типа с применением Государственного первичного эталона ГЭТ 196-2011 [1, 6].
Представленная схема разработки и испытаний химического состава комплектов СО в целях утверждения типа позволяет существенно сократить сроки разработки СО с 1,5-2 лет до 7-10 месяцев (для жаропрочных никелевых сплавов) и 6-8 месяцев (для легких сплавов), а также снизить значения неопределенностей аттестованных значений массовой доли элементов в СО за счет применения Государственного первичного эталона.
Таблица 3
Метрологические характеристики СО ВЖМ5У - массовая доля элементов ± границы абсолютной погрешности (относительной погрешности) аттестованного значения СО, % (при Р = 0,95)
Индекс СО в комплекте ш Мо Л
ВЖМ5У-1 7,11 ± 0,09 (1,3) 2,57 ± 0,03 (1,2) 0,412 ± 0,009 (2,2)
ВЖМ5У-2 5,87 ± 0,07 (1,2) 2,14 ± 0,03 (1,4) 0,665 ± 0,013 (2,0)
ВЖМ5У-3 5,62 ± 0,07 (1,2) 2,13 ± 0,03 (1,4) 0,97 ± 0,02 (2,1)
ВЖМ5У-4 4,81 ± 0,06 (1,2) 1,69 ± 0,02 (1,2) 1,15 ± 0,03 (2,6)
ВЖМ5У-5 4,57 ± 0,06 (1,3) 1,50 ± 0,02 (1,3) 1,18 ± 0,02 (1,7)
Таблица 4
Метрологические характеристики СО ВЖЛ-2 - массовая доля элементов ± границы абсолютной погрешности (относительной погрешности) аттестованного значения СО, % (при Р = 0,95)
Индекс СО в комплекте ш Мо Л
ВЖЛ-2-1 6,63 ± 0,13 (0,8) 16,80 ± 0,14 (2,0) 3,72 ± 0,11 (3,0)
ВЖЛ-2-2 9,22 ± 0,14 (0,9) 14,82 ± 0,13 (1,5) 1,52 ± 0,03 (2,0)
ВЖЛ-2-3 9,62 ± 0,34 (1,6) 12,87 ± 0,20 (3,5) 2,14 ± 0,02 (0,9)
ВЖЛ-2-4 10,82 ± 0,62 (3,4) 10,63 ± 0,36 (5,7) 3,17 ± 0,10 (3,2)
В качестве примера в табл. 3 приведена часть метрологических характеристик ГСО 10124-2012 состава жаропрочного сплава ВЖМ5У, аттестованного с применением первичного эталона ГЭТ 196-2011, а в табл. 4 - ОСО состава жаростойкого сплава ВЖЛ-2, для межлабораторной аттестации которого были привлечены два независимых аккредитованных испытательных центра (ФГУП «ВИАМ» и ФГУП «ЦНИИчермет»). В каждом из них проведены исследования материала ОСО титриметрическим, спектро-фотометрическим, атомно-абсорбционным и атомно-эмис-сионным методами (сертифицирован в ДССО «Метрон-М», сертификат № РОСС RU. МУ 01.0133).
Как видно, большинство из приведенных в табл. 3 и 4 метрологических характеристик СО, разработанных с применением ГЭТ 196-2011, лучше по сравнению с аналогичными, полученными по результатам межлабораторной аттестации.
Применение разработанных стандартных образцов для проведения контроля качества высоколегированных никелевых сплавов позволяет сократить время химического анализа с нескольких дней до 15-20 мин, включая операции извлечения пробы из плавильной печи, ее охлаждения, обрезки на отрезном станке, шлифовки, проведения 4-6 измерений и выдачи результатов. Значения неопределенностей результатов измерений химического состава материалов и полуфабрикатов за
счет применения СО для градуировки спектрального оборудования снижаются в 2-3 раза по сравнению с химическими методами анализа.
Заключение
В ФГУП «ВИАМ» восстановлено производство стандартных образцов состава авиационных сплавов.
В настоящее время ФГУП «ВИАМ» занимает лидирующую позицию в отрасли по разработке и выпуску ГСО состава авиационных сплавов. За период с 2006 по 2012 г. разработано 19 типов ГСО.
Сформулированы и реализованы на практике основные принципы изготовления монолитных СО состава сложнолегированных сплавов, позволяющие получать однородные по химическому составу СО.
Отработана схема разработки и проведения испытаний в целях утверждения типа ГСО сплавов с применением Государственного первичного эталона ГЭТ 196-2011, она позволила существенно сократить сроки разработки ГСО с 1,5-2 лет до 6-10 месяцев, а также снизить стоимость работ по разработке СО.
Исследования по разработке ГСО состава сплавов авиационного назначения выполнялись в рамках Государственных контрактов, заключенных ФГУП «ВИАМ» с Минпромторг России и Минобрнауки России.
ЛИТЕРАТУРА
1. Разработка стандартных образцов состава сплавов авиационного назначения / А.Ф. Летов, Ф.Н. Карачевцев, Н.В. Гундобин, В.И. Титов // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 5. C. 393-398.
2. Осинцева Е.В. Задачи и функции Научного методического центра государственной службы стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов // Стандартные образцы. 2012. № 3. C. 15-40.
3. Козьмин В.А., Фёдорова С.Ф., Щукина М.Ю. Государственные стандартные образцы сталей, сплавов и чугунов с аттестованными содержаниями микропримесей. Проблемы и успехи // Стандартные образцы. 2008. № 2. C. 44-51.
4. Семенко Н.Г., Панева В.И., Лахов В.М. Стандартные образцы в системе обеспечения единства измерений. М.: Изд. стандартов, 1990. 287 с.
5. Шаевич А.Б. Стандартные образцы для аналитических целей. М.: Химия, 1987. 184 с.
6. Аттестация стандартных образцов состава сложнолегированных сплавов с применением эталона / Е.Н. Каблов, Г.А. Морозов, В.Н. Крутиков, Н.П. Муравская // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 2. C. 9-11.
DEVELOPMENT OF CERTIFIED REFERENCE MATERIALS FOR COMPOSITION OF AVIATION ALLOYS
F.N. Karachevtsev, A.F. Letov, O.M. Protsenko, M.S. Yakimova
This contribution presents the information about certified reference materials for composition of aviation alloys
developed in FGUP "All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials ". The basic principles of the
development and production of certified reference materials are described.
Key words: certified reference materials, alloys, principles of development.
