电感耦合等离子体原子发射光谱法测定粉末高温合金中硅镁元素

(中国航发北京航空材料研究院 ，航空材料检测与评价北京市重点实验室，材料检测与评价航空科技重点实验室，北京 100095)

1 引言

粉末高温合金是指使用粉末冶金工艺制成的高温合金,是制造航空发动机关键热端材料，FGH96粉末高温合金具有组织均匀细小、疲劳性能好、屈服强度高等优点，已成为先进航空发动机涡轮盘的首选材料。粉末高温合金的缺陷主要有外来非金属夹杂物、原始颗粒边界和热诱导孔洞等，其中危害最为突出的是非金属夹杂缺陷[1-3]。非金属夹杂物会破坏基体的连续性，造成缺陷处应力集中，严重恶化材料的力学性能，因此，对非金属夹杂物的控制直接关系到粉末高温合金涡轮盘的质量和可靠性，提高粉末高温合金的纯净度水平，严格控制合金的硅镁杂质元素含量，能提高合金性能。高温合金中硅镁元素的分析有重量法、比色法、原子吸收法等[4-6]。常用的上述化学方法分析存在操作繁琐，分析周期长，消耗试剂多，易引入干扰，精密度差，检出限高等问题，难以满足日常检测要求。

电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)相对于化学分析方法具有灵敏度高、检出限低、多元素同时分析、线性范围宽、基体效应小、快速、简便等特点，在冶金、地质、环境等领域被广泛应用[7-9]。本实验采用ICP-AES法对粉末高温合金中硅镁元素进行分析，对样品的溶解、分析谱线选择、基体及共存元素干扰等进行了的试验，建立了适于测定粉末高温合金中硅镁元素的分析方法，并应用于实际样品分析中。 实现了采用ICP-AES法对粉末高温合金中硅镁元素准确测定，缩短了检测周期，降低了检测成本，提高了工作效率。

2 实验部分

2.1 仪器和工作条件

美国Perkin Elmer公司生产的Optima5300V型全谱直读电感耦合等离子体光谱仪，分段式耦合检测器SCD，高频频率：40MHz，正向功率：1.3kW，观测高度：15mm，冷却气流量：15L/min，雾化气流量：0.6L/min，辅助气流量：0.2L/min；积分时间：5s

分析线：Si 251.611 nm, Mg 279.553 nm。

2.2 试剂

Si、Mg单元素标准储备液， 1.00 mg/mL。国家标准溶液，钢铁研究总院制；柠檬酸溶液:200 g/L；实验用盐酸、硝酸、氢氟酸均为优级纯；水为二次蒸馏水；镍和其他元素单标准溶液均用质量分数大于99.95%的纯金属配制。

Si、Mg单元素标准储备液使用时逐级稀释。

2.3 实验方法

2.3.1 试样溶液的制备

称取0.1000g合金样品置于100mL聚四氟乙烯烧杯中，加入20mL盐酸、5mL硝酸、1mL氢氟酸，低温加热(水浴控温，温度控制在70℃以下)溶解完全，再加入5mL柠檬酸溶液,冷却后转移入100mL塑料容量瓶中，用水稀释至刻度,混匀。

2.3.2 系列标准溶液的制备

分别称取0.06g纯镍数份于100mL聚四氟乙烯烧杯中，加入20mL盐酸、5mL硝酸、加入1mL氢氟酸，低温加热溶解完全，再加入5mL柠檬酸溶液, 分别加入适量钼溶液和待测元素的标准溶液，溶液浓度见表1，配制成系列校准曲线溶液。

表1 系列校准溶液浓度 %

2.4 测定

于Optima5300V型全谱直读光谱仪上，在选定的工作条件下测量工作曲线溶液，以浓度为横坐标，以分析线强度为纵坐标，绘制工作曲线，测量试样中各元素的含量。

3 结果与讨论

3.1 试样溶解试验

粉末高温合金成分复杂，含有Co、Cr、Mo、W、Al、Ti、Nb等多种合金元素，主要合金元素化学成分(质量分数)为：～13%Co、～16%Cr、～4%W、～4%Mo、～2%Al、～4%Ti、～1%Nb等，Ni为余量。针对含有高钴、高钨、高铬的粉末合金样品，进行了样品溶解试验，加入不同体积比的盐酸、硝酸等混和酸的进行溶解试验，确保样品溶解完全，溶液保持稳定。试验结果表明，采用20mLHCL+5mLHNO3的酸体系与20mLHCL+5mLHNO3+1mLHF的酸体系对粉末高温合金样品溶解时，观察溶解效果都可将样品溶解完全，选取高温合金标准物质和试样进行两种酸体系溶解效果比对试验，对溶液中的硅进行测定，试验表明，两种酸体系溶液硅的测定能结果有差异，结果见表2。

表2 不同溶样方式下Si的测量结果 %

结果可以看出，有氢氟酸参与溶解样品时得到硅的结果与标准值相符更好，这可能是由于盐酸硝酸酸体系无法将高温合金中Si元素完全溶解到溶液中，因此测定高温合金FGH96中Si元素时应用HCL+HNO3+HF的酸体系进行溶解。试样中的钨在溶液中不稳定，易形成钨酸沉淀，溶液变混浊，影响测量，必须加入柠檬酸络合钨，保持溶液清亮稳定。

3.2 分析谱线的选择

分析线应免受光谱干扰、足够的线性范围、灵敏度高，根据电感耦合等离子体原子发射光谱仪谱线库提供的Si、Mg推荐的谱线，选择Si的谱线 212.412 nm、251.611nm、252.851 nm、288.158 nm；Mg的谱线 279.077 nm、279.553 nm，280.270 nm、285.213 nm进行考察，分别配制浓度为0.1 μg/mL 的Si、Mg元素的单标准液，另分别配制浓度为Ni 0.6mg/mL、Co 130μg/mL、Cr 160μg/mL、Mo 40μg/mL、W 40μg/mL、Nb 10μg/mL、Al 20μg/mL等基体和主量元素的单元素试验溶液，各元素溶液浓度与各元素在合金中浓度相当，在选定的Si、Mg推荐的谱线波长处做谱图扫描，叠加谱线，观测Si、Mg元素谱线受干扰情况，结果见表3。

表3 谱线受干扰情况

试验结果表明在待测元素Si、Mg的谱线受基体效应和共存元素谱线干扰严重，通过选择干扰少的谱线，并通过基体匹配和选择适当扣背景点的方法消除干扰，本方法采用Si 251.611nm、Mg 279.553nm，为分析线。试验过程发现，Si、Mg元素易污染，应采用纯度较高的试剂和纯物质防止污染，所用分析器具均应充分洗净，选定的结果见表4。

表4 分析线波长及扣背景点

3.3 线性范围、相关系数和检出限

根据待测样品中Si、Mg的含量范围和高温合金基体成分，制备基体匹配的系列校准曲线,考察其线性范围、相关系数和检出限。

方法检出限是选用的分析方法和所用仪器进行分析的重要技术指标，它表明该方法所能检测元素的最低浓度，在确定的测量条件下对空白溶液进行了11次测定，计算其标准偏差，以3倍的标准偏差为其检出限，计算出Si 、Mg的检出限,见表5。

表5 线性范围、相关系数、检出限

3.4 方法的准确度和精密度

按所确定的仪器工作参数与实验方法，对高温合金标准物质进行检测，结果见表6，对粉末高温合金FGH96样品进行检测并进行加标回收试验和精密度试验(n=6)，结果见表7。

表6 标准物质对照试验

表7 样品检测和加标回收试验 %

4 结论

本方法采用HCL+HNO3+HF的酸体系进行样品溶解，确保样品溶解完全，加入柠檬酸络合钨使溶液保持稳定，选择灵敏度高，干扰小的Si、Mg谱线为分析线，配制的校准曲线系列溶液采用镍进行基体匹配,消除基体效应影响。实现了采用ICP-AES法对粉末高温合金中Si、Mg元素的快速准确测定。本方法快速、准确,可用于高温合金中Si,Mg的测定。