電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定鈦合金中鎢、鈮、鉭

龐曉輝 ，高頌 ，王桂軍

(1.中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京 100095； 2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.中航(試金石)檢測(cè)科技有限公司，北京 100095)

鈦合金比重小，比強(qiáng)度高，耐熱性和抗腐蝕性好，具有較寬的工作溫度，在航空航天工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。鈦合金中添加了多種合金元素，如高熔點(diǎn)元素鎢、鈮、鉭等可使鈦合金的性能大幅提高，因此快速準(zhǔn)確測(cè)定鈦合金中的鎢、鈮、鉭元素含量有迫切需求。在現(xiàn)行的分析方法中，國(guó)標(biāo)中鈦合金中各元素的分析主要采用化學(xué)分析方法和發(fā)射光譜法［1］。化學(xué)法是單元素分析，操作步驟繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)，檢測(cè)下限高，一般為0.1%左右。中國(guó)航空工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中鈦合金分析一般采用原子吸收法和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法［2］(ICP-AES)。原子吸收法是單元素分析，效率低，中國(guó)航空工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的ICP-AES法分析的元素量有限，且樣品處理方法和檢測(cè)下限已不能滿足各類新牌號(hào)鈦合金的需求，采用ICP-AES分析鈦合金中各元素也有報(bào)道［3-8］，但對(duì)鈦合金中鎢、鈮、鉭元素分析研究未見(jiàn)報(bào)道。

筆者采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定鈦合金中鎢、鈮、鉭元素含量，進(jìn)行了鈦合金樣品溶解、分析譜線選擇、干擾消除、儀器參數(shù)優(yōu)化等試驗(yàn)，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)照和加標(biāo)回收試驗(yàn)，建立了適用于鈦合金中鎢、鈮、鉭元素的分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 主要儀器與試劑

全譜直讀電感耦合等離子體光譜儀：Optima 8300V型，美國(guó)Perkin Elmer公司；

鎢、鈮、鉭單標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：1.00 mg/mL，使用時(shí)根據(jù)需要配制成適當(dāng)濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心；

Y內(nèi)標(biāo)溶液：0.2 mg/mL，稱取0.127 0 g氧化釔(Y2O3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于99.99%)，置于150 mL燒杯中，加入20 mL鹽酸，低溫加熱至溶解完全，冷卻后移入500 mL容量瓶中，補(bǔ)加15 mL鹽酸，用水稀釋至刻度，混勻；

基準(zhǔn)鈦：純度大于99.99%，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)ZBJ014，濟(jì)南眾標(biāo)科技有限公司；

實(shí)驗(yàn)所用器皿燒杯為聚四氟乙烯材料，容量瓶為塑料容量瓶；

鹽酸、硝酸、氫氟酸：優(yōu)級(jí)純；

實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 儀器工作條件

高頻頻率：40 MHz；正向功率：1.1 kW；觀測(cè)高度：15 mm；冷卻氣流量：12 L/min；載氣流量：0.8 L/min；輔助氣流量：0.2 L/min；分析元素譜線：W 207.911 nm，Nb 309.418 nm，Ta 240.063 nm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 試樣溶液的制備

稱取0.100 0 g試樣于150 mL燒杯中，加入10 mL HCl，1 mL HF，1 mL HNO3于低溫溶解，待試樣完全溶解，冷卻，加入2.00 mL Y內(nèi)標(biāo)溶液，定容于100 mL塑料容量瓶中。

1.3.2 校準(zhǔn)溶液的制備

按待測(cè)樣品中鈦含量范圍，稱取純鈦，使標(biāo)準(zhǔn)溶液中鈦的含量與試樣中含量基本一致，于4只150 mL聚四氟乙烯燒杯中，分別加入適量待測(cè)元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液，按試樣溶液的制備步驟配制成校準(zhǔn)溶液，溶液濃度見(jiàn)表1。也可以采用與試樣成分接近的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

表1 校準(zhǔn)溶液濃度 μg/mL

1.3.3 樣品測(cè)定

在選定的儀器工作條件下測(cè)量，根據(jù)各元素標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度和對(duì)應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度值，以待測(cè)元素質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，測(cè)得的強(qiáng)度為縱坐標(biāo)繪制校準(zhǔn)曲線，再測(cè)樣品含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品溶解試驗(yàn)

一般鈦合金用稀硫酸溶解或者采用鹽酸加氫氟酸溶解，中國(guó)航空工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中ICP-AES方法處理鈦合金采用硫酸溶解，加硝酸氧化，但采用稀硫酸溶解鈦合金樣品時(shí)速度慢，溶解過(guò)程不易控制，鈦合金中加入了鉭、鈮、鎢等合金化元素后，采用硫酸硝酸無(wú)法溶解此類樣品。經(jīng)試驗(yàn)采用鹽酸、氫氟酸加硝酸溶解鈦合金效果較好，可很快溶解各類鈦合金。

2.2 分析線選擇

選擇各待測(cè)元素鎢、鈮、鉭的靈敏線數(shù)條［9］，用各待測(cè)元素的單標(biāo)準(zhǔn)溶液(10 μg/mL)和基體鈦(1 mg/mL)的單標(biāo)準(zhǔn)溶液在選定的波長(zhǎng)處進(jìn)行譜圖掃描，考察待測(cè)元素譜線受干擾情況。經(jīng)選擇對(duì)比，最終確定待測(cè)元素的分析線和扣背景點(diǎn)，見(jiàn)表2。

表2 元素分析譜線及背景校正扣除點(diǎn) nm

2.3 檢出限、線性方程

方法的檢出限是選用的分析方法和所用儀器進(jìn)行分析的重要技術(shù)指標(biāo)，它表明該方法所能檢測(cè)元素的最低濃度。在確定的儀器測(cè)量條件下，將標(biāo)準(zhǔn)溶液系列引入光譜儀，以溶液濃度為橫坐標(biāo)，以發(fā)射的譜線強(qiáng)度為縱坐標(biāo)繪制校準(zhǔn)曲線。對(duì)空白溶液進(jìn)行了11次測(cè)定，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差，以3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差為其檢出限，方法的檢出限，線性范圍、相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 線性方程與檢出限

2.4 樣品測(cè)定與加標(biāo)回收試驗(yàn)

按試驗(yàn)方法對(duì)含有鎢、鈮、鉭的各牌號(hào)鈦合金樣品Ti60、TC21、Ti7333等進(jìn)行測(cè)定，并進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 樣品測(cè)定結(jié)果、加標(biāo)回收結(jié)果 %

2.5 比對(duì)試驗(yàn)與精密度試驗(yàn)

對(duì)含有表鎢、鈮、鉭的鈦合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，測(cè)定值與認(rèn)定值一致，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.3%～2.4%，說(shuō)明方法的精密度良好。

表5 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)照結(jié)果 %

3 結(jié)語(yǔ)

采用ICP-AES法測(cè)定了鈦合金中鎢、鈮、鉭元素的含量。解決了鈦合金中鎢、鈮、鉭元素采用ICP-AES法分析中的問(wèn)題，如樣品的溶解完全并保持穩(wěn)定，待測(cè)元素分析線的選擇、校準(zhǔn)曲線的繪制、干擾的消除等，滿足了新型鈦合金研制對(duì)成分檢測(cè)的需求。結(jié)果表明該方法準(zhǔn)確可靠，滿足鈦合金中鎢、鈮、鉭元素分析的要求。

［1］GB/T 4698.21-1996 海綿鈦、鈦及鈦合金化學(xué)分析方法 發(fā)射光譜法測(cè)定錳、鉻、鎳、鋁、鉬、錫、釩、釔、銅、鋯含量［S］.

［2］HB 7716.1～14-2002 鈦合金化學(xué)成分光譜分析方法［S］.

［3］李慧芝，翟殿棠，許崇娟，等.發(fā)射光譜法同時(shí)測(cè)定鈦基復(fù)合材料中的鎳鐵鉬錳和硼的研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2007，27(6):1 204-1 206.

［4］羊送球，黃永紅.ICP-OES法測(cè)定鈦合金中硼含量［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2006，23(2): 35-36.

［5］杜米芳.電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定鈦合金中硼［J］.冶金分析，2010，30(11): 50-53.

［6］杜米芳，李治亞，李景濱，等.電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定海綿鈦合鐵硅錳鎂［J］.冶金分析，2009，29(7): 24-27.

［7］謝紹金，董天祥.ICP-AES法測(cè)定鈦基復(fù)合材料中的AI、Mo、B的研究［J］.光譜實(shí)驗(yàn)室，2000，17(4): 471-474.

［8］吳世凱，ICP-AES法同時(shí)測(cè)定鈦合金中八種元素的研究［J］.特鋼技術(shù)，2007，13(4): 38-40.

［9］Wing R K，F(xiàn)assle V A，Peterson V J，et al.電感耦合等離子體發(fā)射光譜圖冊(cè)［M］.錢國(guó)賢，黃鑫泉，孟廣政，譯.北京: 中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)光譜學(xué)會(huì)，1986.