航空維修企業(yè)在進(jìn)行飛機維修時，需要使用大量的金屬類零件，用于完成飛機機體口蓋、機載設(shè)備及部附件的安裝，所使用的金屬原材料一般為碳鋼和合金鋼，但鋼類零件及原材料中氧、氮、氫含量過高會對零件的性能造成嚴(yán)重影響，如鋼類零件經(jīng)常出現(xiàn)的氫脆問題，影響鋼類零件的使用壽命。因此，準(zhǔn)確測量金屬材料碳鋼和合金鋼中氧、氮、氫的含量至關(guān)重要。隨著現(xiàn)代航空產(chǎn)業(yè)及鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展，鋼材料中的氧、氮、氫等氣體元素分析越來越受到航空維修企業(yè)的重視。氧氮氫分析作為一種分析性很強的專業(yè)分析技術(shù)，航空維修企業(yè)一般借助于專業(yè)的氧氮氫分析儀，可以快速、準(zhǔn)確實現(xiàn)金屬材料碳鋼和合金鋼中氧、氮、氫的含量測量，寶英科技公司提供的氧氮氫分析儀設(shè)備，在航空維修業(yè)應(yīng)用較為廣泛。

1、碳鋼和合金鋼中氧、氮、氫的危害性

鋼中氧以多種氧化物夾雜形式存在，結(jié)合成非金屬夾雜物，金屬基體的連續(xù)性遭到破壞，從而對鋼材的各項機械性能產(chǎn)生影響。氮的危害會導(dǎo)致鋼材時效性降低，減弱鋼材的冷加工性能和塑性變形能力，造成焊接熱影響區(qū)脆化，以及鋼材拉拔性能受到影響。氫的危害是溶于鋼中的氫聚合為氫分子，使材料的力學(xué)性能脆化，造成應(yīng)力集中，超過鋼的強度極限，在鋼內(nèi)部形成細(xì)小的裂紋，就是通常所指的“氫脆"。由此可見，氧、氮、氫含量過高對碳鋼和合金鋼類金屬零件的性能有嚴(yán)重影響，需要加以控制。因此，需要準(zhǔn)確測量鋼類零件以及碳鋼和合金鋼材料中氧、氮、氫的含量，對含量過高的零件通過加熱除氫消除氫脆等各種熱處理方法恢復(fù)鋼的性能，避免氧氮氫含量過高、存在缺陷的鋼類零件安裝在飛機上，對飛機的修理質(zhì)量、飛行安全造成影響。

2 測試原理

航空維修企業(yè)定量分析鋼、鑄鐵、合金材料中氧、氮、氫 3 種氣體元素含量的測試儀器為氧氮氫分析儀（如 TC306），具有較高的準(zhǔn)確度和測量精度。氧氮氫分析儀采用脈沖加熱燒融 - 惰性氣體保護(hù)還原 - 熱導(dǎo)紅外檢測原理，當(dāng)強電流通過上下兩個電極之間的石墨坩堝時，坩堝溫度迅速升高，加熱至規(guī)定溫度，在惰性氣體（氦氣、氮氣）的載氣環(huán)境下，金屬試樣中氧轉(zhuǎn)換為一氧化碳或二氧化碳后由氦氣載體載出，而后由紅外測試儀測定；氮和氫以分子形式釋放后分別由氦氣和氮氣載體載出，進(jìn)入熱導(dǎo)檢測器進(jìn)行定量分析。有獨立的兩個分別檢測低氧和高氧的紅外檢測池，一個檢測氫和氮2 種成分的熱導(dǎo)檢測池。脈沖爐通過循環(huán)水冷卻，試樣在高功率脈沖爐的坩堝中加熱可達(dá) 2600℃ 以上高溫，分析過程中可自動實現(xiàn)從低溫到高溫的切換。另外，分析儀需要壓縮空氣作為脈沖爐升降的動力源。氧氮氫分析儀測試交聯(lián)框圖如圖 1 所示。

3 試驗方法 

3.1 儀器和試劑 

儀器：氧氮氫分析儀 ； 

標(biāo)準(zhǔn)樣品：鋼中氧、氮、氫標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)； 

高純載氣：惰性氣體高純氮氣 (99.999％ ) 、高純氦氣(99.999％ )； 

動力氣：壓縮空氣，其雜質(zhì)（油和水）小于 0.5%；

冷卻水：循環(huán)自來水； 

試劑：丙酮 C3H6O 分析純；選用的坩堝及助熔劑選擇見表 1。

3.2 試驗前準(zhǔn)備 

試樣檢查。送檢試樣應(yīng)潔凈、無油污或氧化皮等。試樣加工成長度大于 30mm，直徑不大于 3mm 的圓棒或板條，再使用剪線鉗將試樣剪成所需長度。試樣的重量范圍控制在（0.07 ～ 0.11g）為宜。加工后的試樣應(yīng)無過熱、過燒現(xiàn)象產(chǎn)生。試樣應(yīng)先使用丙酮清洗，風(fēng)干后即可直接使用。

 儀器檢查。試驗開始前，檢查儀器的雜質(zhì)去除裝置和輔助凈化系統(tǒng)過濾器和試劑是否有效，若失效需進(jìn)行更換或清洗。檢查確認(rèn)水泵中有充足水量，否則停止運轉(zhuǎn)設(shè)備。

3.3 試驗步驟 

3.3.1 氧氮含量測定

測定鋼試樣中氧氮含量時，坩堝選用石墨大坩堝，助熔劑選用鎳籃。儀器使用前，開啟純度大于 99.999% 的氦氣閥門，開啟抽風(fēng)裝置、循環(huán)水及壓縮空氣，啟動氧氮氫分析儀，將儀器調(diào)整至合適檔位，穩(wěn)定 15 min 后運行測量分析軟件，進(jìn)入軟件分析界面，應(yīng)用處選擇“鋼鐵"。

 空白試驗。用坩堝鉗將石墨大坩堝放置在加熱爐上，輸入編號“空白"，在“重量（毫克）"處自定義輸入重量100mg，點擊爐子；升爐后，點擊開始分析，對氧氮含量進(jìn)行測定；重復(fù)該試驗 3 ～ 5 次，取相對穩(wěn)定的 2 個數(shù)值，平均值即為空白值；選中空白試驗數(shù)值，點擊界面空白值，在相應(yīng)通道輸入標(biāo)準(zhǔn)值，點擊應(yīng)用，可在后續(xù)試驗中去除空白值。 

校準(zhǔn)試驗。選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)樣品，選擇的標(biāo)準(zhǔn)樣品的氧氮含量最好略高于試樣。將標(biāo)準(zhǔn)樣品置于電子天平，穩(wěn)定后輸入標(biāo)準(zhǔn)樣品編號；用坩堝鉗將石墨大坩堝放置在加熱爐上，將坩堝升入加熱爐；將標(biāo)準(zhǔn)樣品置于鎳籃中，從投樣口將鎳籃投下，開始分析標(biāo)準(zhǔn)樣品。重復(fù)該試驗 3 ～ 5 次，取相對穩(wěn)定的2個氧氮數(shù)值進(jìn)行校正；選中相應(yīng)數(shù)值，點擊界面校正，在相應(yīng)通道輸入標(biāo)準(zhǔn)樣品的標(biāo)準(zhǔn)氧氮值，進(jìn)行校正。 

試樣試驗。將試樣置于電子天平，穩(wěn)定后同時輸入標(biāo)準(zhǔn)樣品編號；用坩堝鉗將石墨大坩堝放置在加熱爐上，將坩堝升入加熱爐；將標(biāo)準(zhǔn)樣品置于鎳籃中，從投樣口將鎳籃投下，開始分析標(biāo)準(zhǔn)樣品；重復(fù)該試驗 3 ～ 5 次，取相對穩(wěn)定的 2個氧氮數(shù)值。

3.3.2 氫含量測定

測定鋼試樣中氫含量時，坩堝選用石墨套坩堝，助熔劑選用錫片，載氣改選用純度大于 99.999% 的氮氣；按氧氮含量測定步驟方法進(jìn)行儀器空白試驗、校準(zhǔn)試驗、試樣試驗。

3.3.3 結(jié)束工作

試驗結(jié)束后，關(guān)閉惰性氣體及載氣閥門，并將檔位從試驗所在檔調(diào)至待機檔位，關(guān)閉循環(huán)水系統(tǒng)及抽風(fēng)裝置，清掃爐膛等部位。

3.4 試驗結(jié)果處理 

重復(fù)性限計算。試驗結(jié)果是針對各種規(guī)格的鋼鐵材料化學(xué)成分中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.0005% ～ 0.020% 氧含量、0.002% ～0.6% 氮含量和 0.2 ～ 30ppm 氫含量的測定。原始數(shù)據(jù)按照精密度中重復(fù)性限要求進(jìn)行統(tǒng)計分析，重復(fù)性限要求見表 2。在重復(fù)性條件下，選取的測試數(shù)據(jù)在表 2 給出的含量平均值范圍內(nèi)，獲得的兩次獨立測試結(jié)果的絕對差值應(yīng)不超過重復(fù)性限 r，重復(fù)性限 r 按照表 2 中給出的方程解得。

試驗報告。出具的試驗報告應(yīng)包含識別樣品、試驗室和試驗日期，使用的方法，試驗結(jié)果，以及試驗過程中觀察到的異常現(xiàn)象。試樣處理。原材料氧氮氫含量試驗，結(jié)果合格的試樣保存 6 個月，不合格的保存 1 年，其它情況的試樣不保存。試樣裝入試樣袋內(nèi)標(biāo)識、登記后進(jìn)行保管。

4 結(jié)語 

隨著計算機技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、自動控制技術(shù)的發(fā)展，鋼類金屬零件及材料中氧氮氫元素分析測量技術(shù)在傳統(tǒng)測量技術(shù)上有了很大提升。尤其是在飛機的修理維護(hù)上，航空維修企業(yè)通過專業(yè)的測量儀器：氧氮氫分析儀，分析了大量的鋼類零件試樣及工藝攻關(guān)試樣，快速、準(zhǔn)確測定出試樣材料中氧、氮、氫的含量，從而為零件的處理和飛機的修理提供重要的理論指導(dǎo)意義和經(jīng)濟(jì)實用價值。

以上摘自《研究與探索.智能制造與趨勢》