電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定鐵鎳基高溫合金GH140中硅的含量

張丹莉，劉雷雷

(西安漢唐分析檢測有限公司，陜西 西安 710016)

GH140鐵-鎳基高溫合金，其抗高溫燃?xì)飧g性能和耐高溫性能優(yōu)異，作為一種燃燒室材料，已在我國軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上經(jīng)過了長期的使用考驗(yàn)，證明它具有綜合性能良好、使用可靠、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),因而在我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。主要用于長期在高溫、高負(fù)荷及燃?xì)飧g環(huán)境下服役的結(jié)構(gòu)零部件，例如：重型柴油機(jī)排氣閥、火焰筒、加力擴(kuò)散器、加力筒體、加力輸油圈、機(jī)尾罩蒙皮等[1-2]。GH140高溫合金的基體是Fe-37Ni-20Cr固溶體，其中硅含量的高低對(duì)材料的燒傷、變形、裂紋和掉塊等故障都有一定的影響。因而測定GH140高溫合金中的硅元素含量對(duì)于材料的研發(fā)和生產(chǎn)中的質(zhì)量控制有極其重要的意義。

目前測定硅的方法主要有分光光度法、ICP-AES法、原子吸收光譜法[3]。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)相對(duì)于化學(xué)分析方法而言，有線性范圍寬、基體效應(yīng)小、檢出限低、靈敏度高、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[4-5]。本文采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法對(duì)鐵鎳基高溫合金中的硅含量分析進(jìn)行研究，對(duì)鐵鎳基高溫合金樣品的溶解、分析譜線選擇、基體及共存元素干擾等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)照試驗(yàn)，建立了適于測定鐵鎳基高溫合金中硅的分析方法，并應(yīng)用于實(shí)際樣品分析中。

高溫合金溶解困難，經(jīng)過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用常溫常壓無法完全溶解樣品。而本方法采用HCl-HF-HNO3混酸作為消解劑，在高溫、高壓條件下進(jìn)行試樣的消解，保證了試樣溶解完全。采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法準(zhǔn)確測定試樣中的硅，對(duì)儀器工作狀態(tài)及工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并考察了共存元素干擾及消除方法。本方法具有較高準(zhǔn)確度及精密度。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

ICAP7000型高分辨率全譜直讀等離子體原子發(fā)射光譜儀，美國Thermo公司；聚四氟乙烯高壓消解罐。GH140鐵鎳基高溫合金；高純鎳，99.9%；高純鐵粉，99.9%；氬氣，純度≥99.99%；鹽酸(1+1)；硝酸(1+1)；氫氟酸(1+1)；硅標(biāo)準(zhǔn)溶液100 μg/mL。實(shí)驗(yàn)室用水均為二級(jí)水，所用試劑均為分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1樣品處理

稱取0.100 0 g GH140高溫合金試樣置于30 mL聚四氟乙烯高壓消解罐中，加入10 mL鹽酸，5 mL硝酸，2 mL氫氟酸，旋緊瓶蓋，放置于烘箱中，于140 ℃加熱溶解4 h，關(guān)電源，取出自然冷卻至室溫。試液移入100 mL塑料容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻后用于ICP-AES測定。

1.2.2儀器工作條件

RF功率，1 150 W；霧化氣流量，0.5 L/min；輔助氣流量，0.5 L/min；冷卻氣流量，10 L/min；觀測高度，10 mm；積分時(shí)間，10 s；分析譜線(nm)，240.272{140}。優(yōu)化后最佳的儀器工作條件為：射頻功率1050 W，觀測高度14 mm，霧化氣流量0.6L/min，輔助氣流量1.0 L/min，冷卻氣流量12 L/min。

1.2.3校準(zhǔn)曲線的繪制

稱取0.050 0 g高純鐵粉、0.050 0 g純鎳各7份分別置于一系列150 mL聚四氟乙烯燒杯中，加入10 mL鹽酸、5 mL硝酸、2mL氫氟酸，蓋上表面皿，低溫加熱溶解完全，取下，冷卻至室溫。

準(zhǔn)確移取0、0.50、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL硅標(biāo)準(zhǔn)溶液于7個(gè)100 mL聚四氟乙烯容量瓶中,然后移入溶解完全的鐵鎳基體溶液作為空白校準(zhǔn)溶液和基體匹配底液，用水稀釋至刻度，混勻。該標(biāo)準(zhǔn)系列溶液對(duì)應(yīng)硅的質(zhì)量濃度依次為0、1、2、4、6、8、10 mg/L。將標(biāo)準(zhǔn)系列溶液于ICP-AES上測定，以硅的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，發(fā)射強(qiáng)度為縱坐標(biāo)繪制校準(zhǔn)曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶解試驗(yàn)

高溫合金可選用鹽酸、氫氟酸和硝酸混酸溶解。實(shí)驗(yàn)室溶解試樣用的最多的方法還是在電熱板上進(jìn)行加熱處理。隨著樣品消解難易程度的增加，樣品處理時(shí)間長，效率低，而且可能會(huì)有碳化物、硅、鎢等元素的沉淀，消解完全性、可重復(fù)性不理想。傳統(tǒng)樣品溶解方法是與環(huán)境聯(lián)通的，這不僅會(huì)使樣品有所損耗，而且會(huì)增加樣品被污染的可能性，同時(shí)加入的溶解試劑也會(huì)隨著揮發(fā)需要不斷補(bǔ)充，增加試劑消耗。但用消解罐溶解試樣就避免了硅的損耗。首先，稱取3份0.100 0 g試樣分別于聚四氟乙烯燒杯中，加入與1.2.3實(shí)驗(yàn)方法中等量的鹽酸、氫氟酸和硝酸，于電熱板上加熱溶解，待反應(yīng)結(jié)束，取下冷卻后移入100 mL塑料容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻待測；另稱取9份0.100 0 g試樣分別于聚四氟乙烯高壓罐中，加入同樣量的上述混酸，分別于100、140和180 ℃高溫高壓溶解4 h(每個(gè)溫度溶解3份試樣)，冷卻后定容、測定，結(jié)果見表1。

表1 GH140高溫合金溶解實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1中數(shù)據(jù)表明：在常壓電熱板加熱條件下，硅形成四氟化硅揮發(fā)，測定結(jié)果明顯偏低；在高壓消解罐內(nèi)100 ℃時(shí)加熱3 h，試樣溶解不充分，硅的測定結(jié)果偏低；在高壓罐內(nèi)140 ℃和180 ℃加熱3 h，硅的測定結(jié)果一致穩(wěn)定。因此實(shí)驗(yàn)選擇于聚四氟乙烯高壓罐中140 ℃加熱4 h消解樣品。

2.2 分析譜線的選擇

在ICP-AES分析中，分析譜線選擇非常靈活。不僅能同時(shí)測定多元素，而且對(duì)同一元素也可以選擇多條特征譜線，利用這一特點(diǎn)選取了3條譜線進(jìn)行測定，綜合分析每條譜線的強(qiáng)度、譜圖及干擾情況，確定了待測元素的最佳分析譜線為251.611 nm。

2.3 校準(zhǔn)曲線

按優(yōu)化的儀器工作條件，于ICP-AES上測定各標(biāo)準(zhǔn)溶液中硅的譜線強(qiáng)度，繪制硅的校準(zhǔn)曲線。校準(zhǔn)曲線的線性回歸方程為I=304.2ρ+25，線性相關(guān)系數(shù)r=0.999 5。

2.4 基體效應(yīng)

按照ISO13899標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定稱樣量，分別選擇1倍稱樣量和0.75倍稱樣量的高純(鐵基+鎳基)打底建立校準(zhǔn)曲線，測定國家標(biāo)準(zhǔn)樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明0.75倍稱樣量(鐵基+鎳基)打底時(shí)的測定值與認(rèn)定值符合更好，說明更多的鐵基+鎳基打底導(dǎo)致基體效應(yīng)嚴(yán)重，使分析結(jié)果偏高。進(jìn)行基體效應(yīng)影響試驗(yàn)，第1種方法是利用只進(jìn)行(鐵基+鎳基)基體匹配建立的校準(zhǔn)曲線進(jìn)行測定，第2種方法是除了(鐵基+鎳基)基體匹配外，在標(biāo)準(zhǔn)溶液系列中加入相應(yīng)含量的鉻、鉬、鎢等主量元素進(jìn)行基體匹配建立校準(zhǔn)曲線進(jìn)行測定，結(jié)果表明這兩種方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品的測定結(jié)果一致，且與認(rèn)定值符合較好，鉻、鉬、鎢均不干擾硅的測定。所以本方法采用只進(jìn)行(鐵基+鎳基)基體匹配進(jìn)行測定。

2.5 精密度與加標(biāo)回收試驗(yàn)

采用本法加入不同量的標(biāo)準(zhǔn)溶液到已知含量的樣品中(YSBC 11517-93 GH140鋼鐵研究總院研制)，按實(shí)驗(yàn)方法操作，進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，測定結(jié)果見表2。

表2 分析方法加標(biāo)回收試驗(yàn) %

由表2可看出，測定結(jié)果的回收率為97.7%～98.6%，表明方法具有較高的準(zhǔn)確度。

2.6 分析結(jié)果的精密度

按照擬定的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)3個(gè)該牌號(hào)的高溫合金樣品平行進(jìn)行多次測定(n=11)，測定結(jié)果及其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)見表3。由表3可知，該方法精密度高。

表3 分析方法精密度與準(zhǔn)確度 %

3 結(jié)論

本方法測高溫合金GH140中的硅元素，操作簡便快捷，能發(fā)揮電感偶合等離子體原子發(fā)射光譜儀的優(yōu)勢，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差≤2%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤1%，具有良好的準(zhǔn)確度和精密度，能充分滿足實(shí)際生產(chǎn)中的檢測需求。