高温合金按元素构成分为镍基、铁基、钴基，应用较广泛的是镍基高温合金，占比为80%。镍基高温合金中基体镍为面心立方晶格结构，该晶格结构使它能够比铁基高温合金容纳更多合金元素，因其优异的耐腐蚀性能和高温强度而广泛应用于航空航天、海洋、船舶等高端制造领域。金属元素对于镍基高温合金的各种性能有至关重要的影响，因此准确分析其含量尤为重要。

 

     目前测定镍基高温合金中金属元素的方法主要有分光光度法、火焰原子吸收光谱法、滴定法等，但是这些测定方法均操作流程复杂，且只能测定单元素，效率低。电弧发射光谱法可以测定镍基合金中的杂质元素，但是该方法需将试样溶解蒸干，研磨成粉末，并在电弧发射光谱仪上测定，流程繁琐，且需要购置设备，同样不可取。电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）具有同时测定多种元素、检出限低、线性范围宽、灵敏度高等优点，而采用ICP-AES分析镍基高温合金中金属元素的报道较少。多数镍基高温合金属于高Mo、高Nb、高W的高熔点复杂合金，比普通的金属材料难溶得多，这是需要解决的一个关键难题。此外，由于镍基高温合金中元素种类多，成分复杂，各个元素的光谱干扰严重，这给选定各个元素的分析谱线增加了困难。针对上述问题，研究人员采用盐酸-硝酸-氢氟酸体系溶解试样，将标准物质溶解后配制标准溶液，以ICP-AES测定镍基高温合金中Al、Co、Cu、Mn、Mo、Nb、Ta、Ti、V、W、Zr等11种金属元素的含量，方法操作简单，且安全性和准确度更高。

 

1、试验方法

 

1.1 样品前处理

 

      称取少量标准物质或待测试样于聚四氟乙烯烧杯中，加入盐酸和硝酸，在200℃加热板上加热溶解，当反应速率很慢时，补加盐酸，继续加热至试样完全溶解。取下烧杯，冷却至室温后加入氢氟酸，摇动烧杯，完全溶解烧杯内的黄色沉淀物，用水定容摇匀。随同做空白试验。

 

1.2 标准曲线绘制

 

      将标准物质按照上述方法进行处理，配制成标准溶液系列，以此标准溶液系列绘制各元素的标准曲线，其中高纯镍配制的标准溶液作为零点空白。标准溶液系列中各元素的质量分数见表1。

 

表1 标准溶液系列中元素的质量分数

 

2、结果与讨论

 

2.1 称样量的选择

 

     称样量由多种因素共同决定，如待测元素的含量、检测方法的检出限、光谱仪的灵敏度等。由于镍基高温合金中金属元素的质量分数较高，尤其是Mo、W、Nb、Ti 等的质量分数一般在 1%左右，有的甚至超过20%，为了避免光谱强度饱和，同时保证取样的代表性和均匀性，经过反复试验确定称样量为0.0500g。

 

2.2 元素分析谱线的选择

 

     电感耦合等离子体原子发射光谱仪会产生丰富的离子和原子谱线，同时镍基高温合金成分复杂，其金属元素通常含量较高，谱线干扰多。仪器谱线库中有多条待测元素特征谱线供选择，尽量选择发射强度高、峰形好、干扰小、灵敏度高的谱线作为分析谱线。本试验选择的元素分析谱线如表2所示。

 

表2 元素的分析谱线

     结果表明：在选定的分析谱线下，各个元素标准曲线的相关系数均在 0.9995以上，部分元素的在0.9999以上。可以看出，采用选定的分析谱线进行测定时，各元素之间的谱线干扰可以忽略。

 

2.3 基体效应

 

      基体效应是指样品中的基体成分（本试验主要是Ni）对各元素发射强度和背景的影响。建立标准曲线用的是YSBC11527、YSBC11528、GBW（E）010074、GH3625、BT9、GBW01501、YSBS11587-2020、GBW（E）010081、GBW（E）010080、Cr20Ni80Ti共计10种标准物质，其基体均为Ni，采用标准物质建立标准曲线，可以大大降低基体Ni对各元素分析结果的干扰，基体效应可以忽略不计。

 

2.4 标准曲线、检出限和测定下限

 

     按照仪器工作条件测定标准溶液系列，以元素的质量分数为横坐标，对应的发射强度为纵坐标，绘制标准曲线，元素标准曲线的检测范围、线性回归方程和相关系数见表3。

 

表3 线性参数、检出限和测定下限

     对高纯镍标准溶液连续测定10次，以测定值标准偏差s的3倍为各元素的检出限（3s），以测定值标准偏差s的10倍为各元素的测定下限（10s），结果见表3。

 

     由表3可知：各元素的检测范围较宽，且线性相关系数均在0.9995以上，线性相关系数越高，表明所选择的分析谱线干扰小，基体干扰低，检测准确度越高；各元素的检出限均在0.0050%以下，大多数元素的检出限低于0.0010%，除了Al元素外，其他元素的测定下限均不大于0.006%，表明该方法能够对低含量试样取得较高的检测能力。

 

2.5 精密度和准确度试验

 

     按照试验方法测定Ni75.70、Ni65.62、Cr20Ni80Ti、Cr20Ni80、YSBC11501、YSBC11502、YSBC41503、GH153、YSBC11508、1J79共计10种标准物质中各元素的含量，每种标准物质中各元素连续测定11次，计算测定值的相对标准偏差（RSD）和相对误差，结果见表4。

 

表4 精密度和准确度试验结果（n=11）

     由表4可知，除Ta外其他元素测定值的RSD均小于1.0%，各元素测定值的相对误差的绝对值均在6.0%以内，表明该方法的精密度和准确度均较高。可见，该方法可以满足镍基高温合金应用行业对其金属元素的检测要求。

 

2.6 样品分析

 

    按照试验方法对两件牌号为GH3625镍基合金样品1#、2#进行分析，各元素的测定结果见表5。

 

表5 样品分析结果

 

3、试验结论

 

     研究人员采用盐酸-硝酸-氢氟酸体系溶解镍基高温合金试样，以ICP-AES测定镍基高温合金中11种金属元素的含量，方法操作简单，标准曲线线性好、检出限和测定下限低、精密度和准确度较高，能够满足镍基高温合金中金属元素含量的测定要求。

 

作者：梁永昌

 

单位：天津市产品质量监督检测技术研究院检测技术研究中心

 

来源：《理化检验-化学分册》2024年第9期

来源：理化检验化学分册

关键词： 合金 金属元素