電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定粉末高溫合金中硅鎂元素

(中國航發(fā)北京航空材料研究院 ，航空材料檢測與評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，材料檢測與評價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

1 引言

粉末高溫合金是指使用粉末冶金工藝制成的高溫合金,是制造航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵熱端材料，F(xiàn)GH96粉末高溫合金具有組織均勻細(xì)小、疲勞性能好、屈服強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)渦輪盤的首選材料。粉末高溫合金的缺陷主要有外來非金屬夾雜物、原始顆粒邊界和熱誘導(dǎo)孔洞等，其中危害最為突出的是非金屬夾雜缺陷[1-3]。非金屬夾雜物會破壞基體的連續(xù)性，造成缺陷處應(yīng)力集中，嚴(yán)重惡化材料的力學(xué)性能，因此，對非金屬夾雜物的控制直接關(guān)系到粉末高溫合金渦輪盤的質(zhì)量和可靠性，提高粉末高溫合金的純凈度水平，嚴(yán)格控制合金的硅鎂雜質(zhì)元素含量，能提高合金性能。高溫合金中硅鎂元素的分析有重量法、比色法、原子吸收法等[4-6]。常用的上述化學(xué)方法分析存在操作繁瑣，分析周期長，消耗試劑多，易引入干擾，精密度差，檢出限高等問題，難以滿足日常檢測要求。

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)相對于化學(xué)分析方法具有靈敏度高、檢出限低、多元素同時(shí)分析、線性范圍寬、基體效應(yīng)小、快速、簡便等特點(diǎn)，在冶金、地質(zhì)、環(huán)境等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[7-9]。本實(shí)驗(yàn)采用ICP-AES法對粉末高溫合金中硅鎂元素進(jìn)行分析，對樣品的溶解、分析譜線選擇、基體及共存元素干擾等進(jìn)行了的試驗(yàn)，建立了適于測定粉末高溫合金中硅鎂元素的分析方法，并應(yīng)用于實(shí)際樣品分析中。 實(shí)現(xiàn)了采用ICP-AES法對粉末高溫合金中硅鎂元素準(zhǔn)確測定，縮短了檢測周期，降低了檢測成本，提高了工作效率。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器和工作條件

美國Perkin Elmer公司生產(chǎn)的Optima5300V型全譜直讀電感耦合等離子體光譜儀，分段式耦合檢測器SCD，高頻頻率：40MHz，正向功率：1.3kW，觀測高度：15mm，冷卻氣流量：15L/min，霧化氣流量：0.6L/min，輔助氣流量：0.2L/min；積分時(shí)間：5s

分析線：Si 251.611 nm, Mg 279.553 nm。

2.2 試劑

Si、Mg單元素標(biāo)準(zhǔn)儲備液， 1.00 mg/mL。國家標(biāo)準(zhǔn)溶液，鋼鐵研究總院制；檸檬酸溶液:200 g/L；實(shí)驗(yàn)用鹽酸、硝酸、氫氟酸均為優(yōu)級純；水為二次蒸餾水；鎳和其他元素單標(biāo)準(zhǔn)溶液均用質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.95%的純金屬配制。

Si、Mg單元素標(biāo)準(zhǔn)儲備液使用時(shí)逐級稀釋。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 試樣溶液的制備

稱取0.1000g合金樣品置于100mL聚四氟乙烯燒杯中，加入20mL鹽酸、5mL硝酸、1mL氫氟酸，低溫加熱(水浴控溫，溫度控制在70℃以下)溶解完全，再加入5mL檸檬酸溶液,冷卻后轉(zhuǎn)移入100mL塑料容量瓶中，用水稀釋至刻度,混勻。

2.3.2 系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

分別稱取0.06g純鎳數(shù)份于100mL聚四氟乙烯燒杯中，加入20mL鹽酸、5mL硝酸、加入1mL氫氟酸，低溫加熱溶解完全，再加入5mL檸檬酸溶液, 分別加入適量鉬溶液和待測元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液，溶液濃度見表1，配制成系列校準(zhǔn)曲線溶液。

表1 系列校準(zhǔn)溶液濃度 %

2.4 測定

于Optima5300V型全譜直讀光譜儀上，在選定的工作條件下測量工作曲線溶液，以濃度為橫坐標(biāo)，以分析線強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制工作曲線，測量試樣中各元素的含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 試樣溶解試驗(yàn)

粉末高溫合金成分復(fù)雜，含有Co、Cr、Mo、W、Al、Ti、Nb等多種合金元素，主要合金元素化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：～13%Co、～16%Cr、～4%W、～4%Mo、～2%Al、～4%Ti、～1%Nb等，Ni為余量。針對含有高鈷、高鎢、高鉻的粉末合金樣品，進(jìn)行了樣品溶解試驗(yàn)，加入不同體積比的鹽酸、硝酸等混和酸的進(jìn)行溶解試驗(yàn)，確保樣品溶解完全，溶液保持穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用20mLHCL+5mLHNO3的酸體系與20mLHCL+5mLHNO3+1mLHF的酸體系對粉末高溫合金樣品溶解時(shí)，觀察溶解效果都可將樣品溶解完全，選取高溫合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和試樣進(jìn)行兩種酸體系溶解效果比對試驗(yàn)，對溶液中的硅進(jìn)行測定，試驗(yàn)表明，兩種酸體系溶液硅的測定能結(jié)果有差異，結(jié)果見表2。

表2 不同溶樣方式下Si的測量結(jié)果 %

結(jié)果可以看出，有氫氟酸參與溶解樣品時(shí)得到硅的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相符更好，這可能是由于鹽酸硝酸酸體系無法將高溫合金中Si元素完全溶解到溶液中，因此測定高溫合金FGH96中Si元素時(shí)應(yīng)用HCL+HNO3+HF的酸體系進(jìn)行溶解。試樣中的鎢在溶液中不穩(wěn)定，易形成鎢酸沉淀，溶液變混濁，影響測量，必須加入檸檬酸絡(luò)合鎢，保持溶液清亮穩(wěn)定。

3.2 分析譜線的選擇

分析線應(yīng)免受光譜干擾、足夠的線性范圍、靈敏度高，根據(jù)電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀譜線庫提供的Si、Mg推薦的譜線，選擇Si的譜線 212.412 nm、251.611nm、252.851 nm、288.158 nm；Mg的譜線 279.077 nm、279.553 nm，280.270 nm、285.213 nm進(jìn)行考察，分別配制濃度為0.1 μg/mL 的Si、Mg元素的單標(biāo)準(zhǔn)液，另分別配制濃度為Ni 0.6mg/mL、Co 130μg/mL、Cr 160μg/mL、Mo 40μg/mL、W 40μg/mL、Nb 10μg/mL、Al 20μg/mL等基體和主量元素的單元素試驗(yàn)溶液，各元素溶液濃度與各元素在合金中濃度相當(dāng)，在選定的Si、Mg推薦的譜線波長處做譜圖掃描，疊加譜線，觀測Si、Mg元素譜線受干擾情況，結(jié)果見表3。

表3 譜線受干擾情況

試驗(yàn)結(jié)果表明在待測元素Si、Mg的譜線受基體效應(yīng)和共存元素譜線干擾嚴(yán)重，通過選擇干擾少的譜線，并通過基體匹配和選擇適當(dāng)扣背景點(diǎn)的方法消除干擾，本方法采用Si 251.611nm、Mg 279.553nm，為分析線。試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，Si、Mg元素易污染，應(yīng)采用純度較高的試劑和純物質(zhì)防止污染，所用分析器具均應(yīng)充分洗凈，選定的結(jié)果見表4。

表4 分析線波長及扣背景點(diǎn)

3.3 線性范圍、相關(guān)系數(shù)和檢出限

根據(jù)待測樣品中Si、Mg的含量范圍和高溫合金基體成分，制備基體匹配的系列校準(zhǔn)曲線,考察其線性范圍、相關(guān)系數(shù)和檢出限。

方法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元素的最低濃度，在確定的測量條件下對空白溶液進(jìn)行了11次測定，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，計(jì)算出Si 、Mg的檢出限,見表5。

表5 線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢出限

3.4 方法的準(zhǔn)確度和精密度

按所確定的儀器工作參數(shù)與實(shí)驗(yàn)方法，對高溫合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行檢測，結(jié)果見表6，對粉末高溫合金FGH96樣品進(jìn)行檢測并進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)和精密度試驗(yàn)(n=6)，結(jié)果見表7。

表6 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對照試驗(yàn)

表7 樣品檢測和加標(biāo)回收試驗(yàn) %

4 結(jié)論

本方法采用HCL+HNO3+HF的酸體系進(jìn)行樣品溶解，確保樣品溶解完全，加入檸檬酸絡(luò)合鎢使溶液保持穩(wěn)定，選擇靈敏度高，干擾小的Si、Mg譜線為分析線，配制的校準(zhǔn)曲線系列溶液采用鎳進(jìn)行基體匹配,消除基體效應(yīng)影響。實(shí)現(xiàn)了采用ICP-AES法對粉末高溫合金中Si、Mg元素的快速準(zhǔn)確測定。本方法快速、準(zhǔn)確,可用于高溫合金中Si,Mg的測定。