电感耦合等离子体原子发射光谱法测定镍基高温合金GH3128中钨、钼、铬、锆的含量

王巍

【摘要】GH3128样品0.10g分别用盐酸+硝酸低温加热溶解，观察样品的溶解情况。溶液冷却后用水定容至100mL。采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定所得溶液中钨、钼、铬、锆的含量，选择的分析谱线分别为W207.912nm、Mo202.031nm、Cr284.325nm、Zr343.823nm，选择了光谱仪工作参数等检测条件。采用基体匹配法消除基体组分的影响制作工作曲线。各元素检出限（3s）为W6.3、Mo5.6、Cr2.5、Zr1.9μg·L-1之间，相对标准偏差（n=10）在1.1%-3.1%之间。按上述方法分析GH3128标准物质，测定值与认定值一致。

【关键词】电感耦合等离子体原子发射光谱法;GH3128;镍基高温合金;钨;钼;铬;锆

1.引言

GH3128是固溶强化型镍基高温合金，具有塑性高、持久蠕变强度高及良好的抗氧化性和冲压、焊接等性能。在航空领域应用广泛，可用于航空发动机的燃烧室火焰筒等高温零部件的制造[1]。研究表明高温合金中添加（10～15）%的钨、钼可很好的提高材料的耐高温性能，加入适量的锆能显著提高合金的持久寿命，铬起抗氧化、抗腐蚀作用[2]。目前测定高温合金中钨、钼、铬、锆的含量测定主要有分光光度法、电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）和直读光谱法等[3]。分光光度法分析过程复杂，耗费时间长;直读光谱法灵敏度低、检出限高。而电感耦合等离子体原子发射光谱法具有线性范围宽、基体效应小、检出限低、灵敏度高、快速简便等特点，应用更广泛[4]。

通常ICP-AES法测定镍基高温合金试样直接加入盐酸和硝酸在低温条件下反应，反应停止后加入氢氟酸溶解试样。该处理方法在GH3128等高含量钨、钼的高温合金上的使用效果较差，溶解所需时间长，且经常存在试样溶解不完全的情况。此外还可通过微波消解处理样品，该方法处理效率高，但需要专门的微波消解设备，且存在一定的危险性。使用氢氟酸溶解样品，ICP光谱仪需使用耐氢氟酸雾化系统。耐氢氟酸的进样系统雾化效率低，对高温合金中微量元素的测定有一定的影响，且氢氟酸的使用会增加对人体的毒害。本文通过实验选择了一个通过控制反应温度、酸加入的量和添加顺序的样品处理方法，无需添加氢氟酸且不需要其他设备即可完全处理样品，消除了安全隐患，样品处理所需的时间相比更少，准确性高，显著提高分析效率。

2.试验部分

2.1仪器与试剂

PE Avio 500型电感耦合等离子体原子发射光谱仪;MRTTLER AB204-L型电子天平;ELGA LA753型超纯水机;LabTech EG20A plus型电加热板。

W、Mo、Cr、Zr标准溶液：1.000g·L-1。

硝酸、盐酸、氢氟酸为优级纯，柠檬酸为分析纯，高纯镍纯度大于99.99%，氩气纯度大于99.999%，试验用水为超纯水（电阻率大于18MΩ·cm）。

2.2 仪器工作条件

射频发生器功率为1300W;雾化气流量0.5 L·min-1，为辅助气流量为0.3 L·min-1，等离子体气流量为12L·min-1，蠕动泵进样量为1.50mL·min-1;观测方向为水平 。

2.3 试验方法

称取试样0.1g置于200mL聚四氟乙烯烧杯中，加入20mL盐酸，在电热板上加热反应一段时间后滴加硝酸，待试样完全溶解后加入2g柠檬酸，取下冷却至室温后转移至100mL容量瓶中，用水定容，摇匀，按仪器工作条件进行测定。

3 结果与讨论

3.1 样品溶解方式的选择

样品分别使用盐酸+硝酸体系（方法一）和盐酸+硝酸-氢氟酸体系（方法二）在不同温度下进行反应，观察样品的溶解程度及样品完全溶解所需要的时间。

方法一：样品加入20mL盐酸加热2h，滴加数滴硝酸，待反应停止后，重复滴加盐酸→加热→滴加硝酸的步骤，直至试样完全溶解。

方法二：样品加入20mL盐酸和5mL的硝酸，加热反应停止后，加入1.5mL氢氟酸，低温加热至完全溶解。

根据表1的实验结果，样品在70℃加热条件下使用盐酸+硝酸体系（方法一）溶解完全所需要的时间最短，效率最高。

3.2 分析谱线的选择

选择待测元素谱线应避免其他元素的光谱干扰、且足够灵敏。镍基高温合金中存在基体镍的干扰，GH3128中还存在高含量的W、Mo、Cr，谱线干扰多。按照样品中存在的元素，配置一系列单元素标准溶液、空白溶液，根据各待测元素的含量及性质，在光谱仪谱线库的推荐谱线中选择各待测元素的分析谱线，筛选出信号强度大，峰型好，灵敏度高，干扰小的谱线作为分析谱线。通过对各元素光谱干扰的试验，选择的各元素分析谱线为W207.912nm、Mo202.031nm、Cr284.325nm、Zr343.823nm。

3.3工作曲线及检出限

称取纯镍0.090g，按试验方法溶解，加入不同含量标准溶液后，定容至100mL，配置标准溶液系列，见表2。

各元素的线性回归方程、相关系数见表3。

连续测定样品空白溶液10次，以3倍标准偏差计算方法的检出限（3s），结果见表3。

3.4精密度实验

选择一个GH3128样品，按试验方法单独溶解10次后测定。根据测定结果计算得到钨、钼、铬、锆测定值的相对标准偏差分别为2.1%，1.3%，3.1%，1.1%，表明方法的精密度高，满足测定的需求。

3.5样品分析

按试验方法对GH3128标准物质进行测定，结果见表4。

由表4结果可知，测定值与认定值结果一致。

本工作采用分步加入盐酸和硝酸低温加热溶解样品，电感耦合等离子体原子发射光谱法测定镍基高温合金GH3128中钨、钼、铬、锆的含量，并对GH3128标准物质进行分析。方法快速、简便、准确度高、重复性好，且样品处理无需氢氟酸参与，降低对人体的毒害，能满足实际工作中对元素含量测定的要求。

参考文献：

[1]常连华.主要合金元素对镍基合金组织和性能的影响[J].汽轮机技术，2001，43（5）：275.320.

[2]張宝松，等.新型镍基高温合金化学成分分析技术研究[J].材料工程，1996，2：34-39.

[3]朱天一，等.微波消解-电感耦合等离子体原子发射光谱法测定DD6单晶合金中铝、铬、钴[J].化学分析计量，2020，29（2）：87-90.

[4]欧阳文颖.ICP-AES法测定铬镍不锈钢中锰、铬、镍、硅、磷、铜、钼的含量[J].广东化工，2019，46（12）：154，157-158.