镍基高温合金因其良好的抗蠕变、抗疲劳、优良的高温强度等力学性能被广泛应用于航空发动机热端部件。随着航空发动机的工作温度越来越高，对发动机热端部件材料的要求也不断提升。IC10合金作为一种Ni3Al基定向凝固高温合金，具有良好的疲劳与蠕变抗力、高温强度、抗氧化性、耐热腐蚀性和组织稳定性，已在航空发动机的先进推进系统上得到了充分应用。

 

    向Ni3Al基高温合金中添加钽、铬、钛、钨和钴等元素，可以起到固溶强化的作用。其中，合理比例的钽元素可以有效提高Ni3Al基高温合金组织稳定性，减少合金定向凝固时的热裂倾向，改善合金力学性能，同时有效增强合金的抗热腐蚀性能和抗氧化性能。因此，IC10高温合金中的钽元素含量的控制要求极高，相关准确可靠测定方法的建立显得尤为重要。

 

     目前关于合金中钽含量测定的标准方法包括GB 223.41—85《钢铁及合金化学分析方法离子交换分离-连苯三酚光度法测定钽量》、GB 223.42—85《钢铁及合金化学分析方法离子交换分离-溴邻苯三酚红光度法测定钽量》和YS/T 861.1—2013《铌钛合金化学分析方法第1部分：铝、镍、硅、铁、铬、铜、钽量的测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法》，但是缺乏镍基高温合金中元素含量测定的国内标准。传统的化学分析方法存在操作过程复杂、分析周期较长等缺陷，易造成极大的设备、试剂、人员和时间浪费。电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、X射线荧光光谱法（XRFS）和电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）在镍基高温合金元素含量测定中的应用比较广泛，但都存在一些目前还未解决的问题。IC10高温合金样品不易溶解，其中难溶元素含量较高，且钽元素易水解，可能造成钽溶解不完全，进而导致钽测定结果偏低，因此选择合适的溶样方法至关重要。鉴于此，研究人员优化了分析谱线和混合酸体系，采用盐酸+硝酸+氢氟酸体系溶解样品，加入柠檬酸防止高温合金中钨、铌等元素的水解，使用ICP-AES测定IC10高温合金中钽的含量。

 

1、 试验方法

 

     取IC10高温合金样品0.1000g，置于烧杯中，加入55mL盐酸，置于220℃电热板上，加热至沸腾后，加入5mL硝酸、2mL氢氟酸，继续煮沸至样品全部溶解，并保证溶液的体积不少于50mL。加入5mL500g·L−1柠檬酸溶液，待溶液冷却至室温后，将溶液转移至塑料容量瓶中，用水稀释至刻度，混合均匀后，按照仪器工作条件进行测定。

 

2、 结果与讨论

 

2.1 分析谱线的选择

 

     IC10高温合金元素组分较为复杂，选择合适的分析谱线可消除或减少样品中各元素间的光谱干扰。用水逐级稀释钽元素标准储备溶液，配制40，50，60，70，80mg·L−1钽标准溶液系列，按照仪器工作条件测定并制作标准曲线。根据实际样品中元素组成及含量，配制分别含镍600mg·L−1，铝60mg·L−1，铬70mg·L−1，钴120mg·L−1，钨50mg·L−1，铪16mg·L−1，钼16mg·L−1的70mg·L− 1钽标准溶液，按照仪器工作条件测定，并采用上述制作好的标准曲线测定钽含量，比较了不同分析谱线下基体元素镍和其他共存合金元素对钽检测的影响，结果见表1。

 

表1 不同分析谱线和共存元素下钽的测定结果

     由表1可知：分析谱线为226.230nm时，钽测定受共存元素镍、铪、钨的干扰较大；分析谱线为233.198nm时，钽测定受铪、镍的干扰较大；分析谱线为267.590nm时，钽测定受共存元素钴、钨、镍的干扰较大；分析谱线为248.870nm时，钽测定受共存元素钴、钨、铪、镍的干扰较大；分析谱线为209.133nm时，钽测定受共存元素铪、钨、钼的干扰较大；分析谱线为263.558nm时，钽测定受共存元素铬、钴、钼、钨、铪的干扰均较大；分析谱线为240.063nm时，钽测定虽然受共存元素镍、钨的干扰，但干扰相较其他分析谱线下的小（相对误差绝对值均小于4.0%）。因此，试验选择的分析谱线为240.063nm。

 

2. 2 混合酸体系的选择

 

     IC10高温合金样品中难溶元素的含量较高（见表2），在分析钽质量分数超过1%的样品时，溶样的酸介质也会影响测定结果。采用一般的王水体系（体积比3∶1的盐酸和硝酸的混合溶液）溶解时，难以将样品完全溶解，而常见的强氧化酸，如硫 酸，虽然能将大部分样品溶解，但仍有少量不溶物存在。

 

表2 IC10高温合金化学成分

     称取9份0.1400gDZ125（1）标准样品，按照试验方法分别用9种混合酸体系（1#~9#）溶样和测定（溶样后 DZ125（1）中钽含量和IC10高温合金中钽的基本一致），结果见表3。

 

表3 不同混合酸体系下钽的测定结果（n=5）

     由表3可知，以混合酸体系1#和2#溶解样品时，溶样时间长，溶样不完全，可能原因为混合酸用量较低，含钽化合物从溶液中析出，导致钽测定值较低；以混合酸体系3#和4#溶解样品时，溶样效果好于混合酸体系1#和2# 的，所得钽测定值较理论值低，说明混合酸用量不少于50mL时，溶样效果提升，但是钽未被充分溶解出来；以混合酸体系6#~9#溶解样品时，溶解时间短，钽测定值和钽理论值基本一致，且测定结果稳定，说明氢氟酸可以充分溶解出钽元素。为快速、充分溶解样品，试验选择采用混合酸体系7#溶解样品。

 

2.3 标准曲线与检出限

 

     按照仪器工作条件测定2.1节配制的钽标准溶液系列，以钽质量浓度为横坐标，谱线强度为纵坐标绘制标准曲线，所得钽的质量浓度在40~80mg·L−1内和谱线强度呈线性关系，线性回归方程为y=5.082×104x-6.923×104，相关系数为0.9998。

 

     按照试验方法测试空白溶液11次，其测定值标准偏差（s）的3倍即为检出限（3s），所得结果为2mg·kg−1。

 

2. 4 精密度和准确度试验

 

     按照试验方法分析IC10高温合金（样品1）和DZ125（1）标准样品各 10 次，计算钽测定值的RSD，所得测定值（质量分数）分别为7.003%和4.808%，和样品中的实际含量基本一致，测定值的RSD分别为0.62%和0.26%，说明方法的精密度较好。在DZ125（1）标准样品中分别加入1 000 mg·L−1钽标准溶液1.0，1.5，2.0，2.5mL，样品1中分别加入1000mg·L−1钽标准溶液 1，2，3，4，5mL，按照试验方法测定并计算回收率，所得结果分别为103%，105%，99.4%，106%以及101%，101%，110%，98.2%，104%，说明方法的准确度较好。

 

3、 试验结论

 

     本文采用混合酸体系溶解IC10高温合金样品，ICP-AES测定钽含量，本方法精密度高、准确可靠，具有一定实际应用价值。

 

作者：王明珠，詹平，曹方

 

单位：中国航发航空科技股份有限公司

 

来源：《理化检验-化学分册》2024年第6期

 

来源：理化检验化学分册

关键词： 电感耦合等离子体原子发射光谱法 钽