电感耦合等离子体原子发射光谱法测定钛合金中钨、铌、钽

庞晓辉 ，高颂 ，王桂军

(1.中航工业北京航空材料研究院，北京 100095； 2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；3.中航(试金石)检测科技有限公司，北京 100095)

钛合金比重小，比强度高，耐热性和抗腐蚀性好，具有较宽的工作温度，在航空航天工业中获得了广泛应用。钛合金中添加了多种合金元素，如高熔点元素钨、铌、钽等可使钛合金的性能大幅提高，因此快速准确测定钛合金中的钨、铌、钽元素含量有迫切需求。在现行的分析方法中，国标中钛合金中各元素的分析主要采用化学分析方法和发射光谱法［1］。化学法是单元素分析，操作步骤繁琐，耗时长，检测下限高，一般为0.1%左右。中国航空工业行业标准中钛合金分析一般采用原子吸收法和电感耦合等离子体原子发射光谱法［2］(ICP-AES)。原子吸收法是单元素分析，效率低，中国航空工业行业标准中的ICP-AES法分析的元素量有限，且样品处理方法和检测下限已不能满足各类新牌号钛合金的需求，采用ICP-AES分析钛合金中各元素也有报道［3-8］，但对钛合金中钨、铌、钽元素分析研究未见报道。

笔者采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定钛合金中钨、铌、钽元素含量，进行了钛合金样品溶解、分析谱线选择、干扰消除、仪器参数优化等试验，进行了标准物质对照和加标回收试验，建立了适用于钛合金中钨、铌、钽元素的分析方法。

1 实验方法

1.1 主要仪器与试剂

全谱直读电感耦合等离子体光谱仪：Optima 8300V型，美国Perkin Elmer公司；

钨、铌、钽单标准储备液：1.00 mg/mL，使用时根据需要配制成适当浓度的混合标准溶液，国家钢铁材料测试中心；

Y内标溶液：0.2 mg/mL，称取0.127 0 g氧化钇(Y2O3，质量分数不小于99.99%)，置于150 mL烧杯中，加入20 mL盐酸，低温加热至溶解完全，冷却后移入500 mL容量瓶中，补加15 mL盐酸，用水稀释至刻度，混匀；

基准钛：纯度大于99.99%，国家标准物质ZBJ014，济南众标科技有限公司；

实验所用器皿烧杯为聚四氟乙烯材料，容量瓶为塑料容量瓶；

盐酸、硝酸、氢氟酸：优级纯；

实验用水为去离子水。

1.2 仪器工作条件

高频频率：40 MHz；正向功率：1.1 kW；观测高度：15 mm；冷却气流量：12 L/min；载气流量：0.8 L/min；辅助气流量：0.2 L/min；分析元素谱线：W 207.911 nm，Nb 309.418 nm，Ta 240.063 nm。

1.3 实验方法

1.3.1 试样溶液的制备

称取0.100 0 g试样于150 mL烧杯中，加入10 mL HCl，1 mL HF，1 mL HNO3于低温溶解，待试样完全溶解，冷却，加入2.00 mL Y内标溶液，定容于100 mL塑料容量瓶中。

1.3.2 校准溶液的制备

按待测样品中钛含量范围，称取纯钛，使标准溶液中钛的含量与试样中含量基本一致，于4只150 mL聚四氟乙烯烧杯中，分别加入适量待测元素的标准溶液，按试样溶液的制备步骤配制成校准溶液，溶液浓度见表1。也可以采用与试样成分接近的标准物质。

表1 校准溶液浓度 μg/mL

1.3.3 样品测定

在选定的仪器工作条件下测量，根据各元素标准溶液的浓度和对应信号强度值，以待测元素质量浓度为横坐标，测得的强度为纵坐标绘制校准曲线，再测样品含量。

2 结果与讨论

2.1 样品溶解试验

一般钛合金用稀硫酸溶解或者采用盐酸加氢氟酸溶解，中国航空工业行业标准中ICP-AES方法处理钛合金采用硫酸溶解，加硝酸氧化，但采用稀硫酸溶解钛合金样品时速度慢，溶解过程不易控制，钛合金中加入了钽、铌、钨等合金化元素后，采用硫酸硝酸无法溶解此类样品。经试验采用盐酸、氢氟酸加硝酸溶解钛合金效果较好，可很快溶解各类钛合金。

2.2 分析线选择

选择各待测元素钨、铌、钽的灵敏线数条［9］，用各待测元素的单标准溶液(10 μg/mL)和基体钛(1 mg/mL)的单标准溶液在选定的波长处进行谱图扫描，考察待测元素谱线受干扰情况。经选择对比，最终确定待测元素的分析线和扣背景点，见表2。

表2 元素分析谱线及背景校正扣除点 nm

2.3 检出限、线性方程

方法的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。在确定的仪器测量条件下，将标准溶液系列引入光谱仪，以溶液浓度为横坐标，以发射的谱线强度为纵坐标绘制校准曲线。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，方法的检出限，线性范围、相关系数见表3。

表3 线性方程与检出限

2.4 样品测定与加标回收试验

按试验方法对含有钨、铌、钽的各牌号钛合金样品Ti60、TC21、Ti7333等进行测定，并进行加标回收试验，结果见表4。

表4 样品测定结果、加标回收结果 %

2.5 比对试验与精密度试验

对含有表钨、铌、钽的钛合金标准物质进行了测定，结果见表5。由表5可知，测定值与认定值一致，测定结果的相对标准偏差为0.3%～2.4%，说明方法的精密度良好。

表5 标准物质对照结果 %

3 结语

采用ICP-AES法测定了钛合金中钨、铌、钽元素的含量。解决了钛合金中钨、铌、钽元素采用ICP-AES法分析中的问题，如样品的溶解完全并保持稳定，待测元素分析线的选择、校准曲线的绘制、干扰的消除等，满足了新型钛合金研制对成分检测的需求。结果表明该方法准确可靠，满足钛合金中钨、铌、钽元素分析的要求。

［1］GB/T 4698.21-1996 海绵钛、钛及钛合金化学分析方法 发射光谱法测定锰、铬、镍、铝、钼、锡、钒、钇、铜、锆含量［S］.

［2］HB 7716.1～14-2002 钛合金化学成分光谱分析方法［S］.

［3］李慧芝，翟殿棠，许崇娟，等.发射光谱法同时测定钛基复合材料中的镍铁钼锰和硼的研究［J］.光谱学与光谱分析，2007，27(6):1 204-1 206.

［4］羊送球，黄永红.ICP-OES法测定钛合金中硼含量［J］.钛工业进展，2006，23(2): 35-36.

［5］杜米芳.电感耦合等离子体原子发射光谱法测定钛合金中硼［J］.冶金分析，2010，30(11): 50-53.

［6］杜米芳，李治亚，李景滨，等.电感耦合等离子体原子发射光谱法测定海绵钛合铁硅锰镁［J］.冶金分析，2009，29(7): 24-27.

［7］谢绍金，董天祥.ICP-AES法测定钛基复合材料中的AI、Mo、B的研究［J］.光谱实验室，2000，17(4): 471-474.

［8］吴世凯，ICP-AES法同时测定钛合金中八种元素的研究［J］.特钢技术，2007，13(4): 38-40.

［9］Wing R K，Fassle V A，Peterson V J，et al.电感耦合等离子体发射光谱图册［M］.钱国贤，黄鑫泉，孟广政，译.北京: 中国光学学会光谱学会，1986.