微波等离子体炬原子发射光谱法测定高温合金中非金属元素

何 淼 杨倩倩 赵英飞

(钢铁研究总院，北京 100081)

前言

高温合金是广泛应用于航空航天、船舶、汽车、军事等工业领域的一类材料，根据合金中成份元素与含量的不同，材料在耐腐蚀性、强度、塑性和韧性、冶金稳定性、可加工性及焊接性等方面呈现出差异[1]。为适应不同领域的应用需求，除基体元素外，合金中添加的微量和痕量元素种类多样，含量各异，以镍基高温合金为例，同一牌号的合金样品中不同元素含量范围可以相差几个数量级。因此，准确检测材料中的成分元素及其含量，是高温合金生产和应用中的重要环节，对掌握材料机械性能与物理性能具有重要意义。

关于高温合金中成分元素的检测，我国现行的高温合金化学分析方法行业标准“HB 5220—2008”中仅包括了少量元素的化学分析方法。近年来，国内外文献报道中涉及到的高温合金中常量、微量和痕量元素的测定，多是采用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法[2-6]。ICP-AES 法以其准确度好、精密度高、线性范围宽的特性[7]，在无机元素分析领域应用日益广泛，与此同时，采用更高频率的微波等离子体作为激发源的光谱仪研制始终受到业内关注[8-10]。相对于金属元素，非金属元素的激发电位更高，在ICP-AES法中需要高功率才能实现其灵敏谱线的测定，这一直是ICP-AES法检测的难点；而微波等离子体作为激发源，频率比ICP射频源更高，对于非金属元素的激发、检测更有优势。微波等离子体炬(MPT)是由金钦汉团队提出的一种类似ICP-AES、可以在低功率低气流量下稳定运行的激发源，激发温度高，可以Ar、He或N2为工作气体，设计目标为实现全元素光谱分析[11-13]。本文通过实验研究，结合本课题组采用ICP-AES法测定高温合金样品的方法开发经验[14]，基于微波等离子体炬原子发射光谱仪(MPT-AES)进行了镍基高温合金中4种痕量非金属元素的分析方法研究。

1 实验部分

1.1 实验仪器及工作条件

MPT-S1000型微波等离子体炬原子发射光谱仪(浙江全世科技公司与钢研纳克检测技术有限公司)：光学系统为Czery-Turner型；光栅刻线密度为2 400 l/mm；波长范围为180～800 nm；焦距为1 000 mm；分辨率为0.008 nm；入射狭缝宽20 μm；出射狭缝宽20 μm；微波等离子体炬的优化输出功率为1 050 W；工作气体和载气为氩气，纯度大于99.999%，屏蔽气采用氧气；载气(氩气)流量为0.5 L/min；维持气(氩气)流量为1.5 L/min；屏蔽气(氧气)流量为2.0 L/min；蠕动泵进样量为500 μL/min。

1.2 实验试剂

As、B、P、Ni标准储备溶液(1 000 μg/mL，国家钢铁材料测试中心)， Si标准储备溶液(500 μg/mL，国家钢铁材料测试中心)。

盐酸(ρ=1.18 g/mL，优级纯，北京化学试剂研究所)；硝酸(ρ=1.50 g/mL，优级纯，北京化学试剂研究所)；氢氟酸(ρ=0.888 g/mL，优级纯，北京化学试剂研究所)；酒石酸(优级纯，北京化学试剂研究所)。

实验用水为超纯水，电阻率大于18.25 MΩ·cm；工作气体为氩气，纯度大于 99.999%；氧气纯度大于 99.999 %。

1.3 实验方法

1.3.1样品前处理

称取高温合金标准样品(YSB C 11516)0.10 g(精确至0.000 1 g)，置于250 mL聚四氟乙烯烧杯中，在150 ℃下加入15 mL HCl和5 mL HNO3，溶解待反应完全并冷却后，缓慢滴加1 mL HF，50 ℃水浴加热，待反应完全加入5 mL酒石酸(40%)，反应完全后，取下冷却至室温，定容至100 mL 塑料容量瓶中。

1.3.2标准溶液系列

分别移取10 mL(Si是20 mL)标准储备溶液(B、P、Si、As)至100 mL的容量瓶中，加水稀释至刻度，摇匀，配制成含有4种元素的100 μg/mL的混合溶液A。

在9个100 mL容量瓶中，加入混合溶液A，使得其含量分别为0、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10 g，在每个容量瓶中分别加入0.1 mL Ni标准溶液，加入10 mL王水(HCl∶HNO3=3∶1)，用水稀释至刻度，摇匀，配制成含基体的标准溶液系列。配制成的标准溶液系列浓度梯度为0、0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10、50、100 μg/mL。

2 实验结果与讨论

2.1 元素谱线选择

实验分别对4种待测元素B、P、Si、As的主要发射谱线位置进行了谱图标定，对比含基体的标准溶液和空白试样的谱图，考察基体元素Ni对待测元素的谱线干扰情况。另外，由于MPT-AES采用氧气作为屏蔽气，300～400 nm谱段存在OH-的干扰谱线带。依据待测样品中各元素的含量梯度，选择其中灵敏度高、谱线背景低、无其它元素干扰的谱线作为分析线，见表1。

表1 待测元素分析谱线

2.2 校准曲线

对含基体的标准溶液系列进行测定，以待测元素浓度为横坐标，发射光谱强度为纵坐标，绘制校准曲线，各元素线性回归方程如表2所示。4种元素的线性范围均在0.1 ～ 100 μg/mL以内，线性回归方程的相关系数R均大于0.999 5。

表2 各元素线性回归方程及线性相关系数

2.3 检出限

在仪器设定的工作条件下测定检出限，连续测定空白溶液11次，以3倍标准偏差计算各待测元素方法检出限，以10倍标准偏差计算测定下限，结果如表3，4种元素的检出限均小于0.2 μg/mL。

表3 方法检出限和测定下限

2.4 精密度实验

以As元素的30 μg/mL和B、P、Si元素的10 μg/mL溶液为样品，进行精密度测定实验，连续测定10次，结果见表4。表4结果表明，方法的相对标准偏差为0.88%～1.9%，精密度良好。

2.5 标准样品测试

以B和Si元素为例，测定高温合金标准样品YSB C 11516中两种元素的含量，并进行精密度测定实验，结果见表5。从表5可以看出，测定值与标准认定值基本一致，方法的准确度良好。

表4 精密度实验

表5 准确度实验

3 结语

采用微波等离子体炬原子发射光谱(MPT-AES) 法测定镍基高温合金中的4种非金属元素，并完成对实际样品中硼、硅两种元素含量的测定，测量准确度和精密度均能达到高温合金中非金属元素的测定要求。