氧氣反應(yīng)模式-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定釩鋁合金中18 種痕量雜質(zhì)元素

摘 要： 作為高品質(zhì)鈦合金制造時(shí)的關(guān)鍵原料，釩鋁中間合金中的痕量雜質(zhì)金屬元素的含量會(huì)對鈦合金的使用性能產(chǎn)生重要影響。該文采用鹽酸-硝酸混酸體系溶解樣品，優(yōu)化電感耦合等離子體質(zhì)譜儀的工作參數(shù)，選擇各待測元素的同位素，用鈧、銩內(nèi)標(biāo)校正非質(zhì)譜干擾，建立氧氣反應(yīng)模式-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定釩鋁中間合金中砷、鎘、鉻、銅、鎂、錳、鎳、鉛、硼、鉬、鈮、磷、鉭、鎢、鋯、釔、錫、汞18 種痕量雜質(zhì)元素的方法。其中砷元素采用氧氣-反應(yīng)池技術(shù)（O2-DRC）在氧氣流量為0.5 mL/min 條件下對質(zhì)譜干擾進(jìn)行消除。18 種待測元素測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD，n=7）均小于3.2 %，加標(biāo)回收率92.7%～109.2%。

關(guān)鍵詞： 反應(yīng)池技術(shù); 電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）; 釩鋁中間合金; 雜質(zhì)元素

中圖分類號： TB9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）09–0143–07

0 引 言

鈦及鈦合金具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、良好的生物相容性以及耐腐蝕性能，因此被稱為“全能金屬”，是繼鐵、鋁之后極具發(fā)展前景的“第三金屬”和“戰(zhàn)略金屬”[1]。近年鈦及鈦合金廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、核工業(yè)、化工、冶金及生物工程等各個(gè)領(lǐng)域[2-3]。我國是鈦及鈦合金的生產(chǎn)、消費(fèi)大國，國家最新出臺(tái)的有色金屬工業(yè)發(fā)展規(guī)劃明確提出鼓勵(lì)發(fā)展鈦高強(qiáng)度合金材料，著力發(fā)展高品質(zhì)、大規(guī)格鈦材，進(jìn)一步延伸產(chǎn)業(yè)鏈，提高附加值。在未來10 年間，隨著航空領(lǐng)域的發(fā)展，飛機(jī)零部件中高性能鈦合金的用量將驟增，特別是大飛機(jī)、國產(chǎn)化等國家戰(zhàn)略的實(shí)施[4]。

鋁和釩是高性能鈦合金的核心元素。由于釩鋁合金（AlV85、AlV75、AlV65、AlV55）的成本低、工藝控制難度小，規(guī)?；拟伜辖鹑蹮挻蠖嗍且遭C鋁合金作為中間合金來實(shí)現(xiàn)合金元素的量化控制[5]。據(jù)報(bào)道，全球的釩鋁合金在航空航天領(lǐng)域的消耗量占到70% 以上[6-7]。因此，高品質(zhì)的釩鋁合金是提升鈦合金的冶金質(zhì)量和性能的前提[8-9]，尤其是對于航空、航天等領(lǐng)域的高性能鈦合金[10-13]，例如：TC4-DT、TC21 等合金。

目前，釩鋁合金雜質(zhì)元素的檢測方法主要包括化學(xué)分光光度法和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）。其中，磷鉬藍(lán)、鉬藍(lán)分光光度法只能用于釩鋁中間合金中雜質(zhì)硅、磷的測定，測定范圍：硅0.010%～0.50%、磷0.005%～0.50% [5， 14-16]；1，10-二氮雜菲分光光度法主要是用于測定釩鋁中間合金中痕量鐵[17]，測定范圍為0.010%～0.50%。ICPAES具有簡單、快速、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適合金屬材料中的雜質(zhì)元素測定。然而，由于儀器靈敏度偏低，ICP-AES 檢測釩鋁合金中雜質(zhì)的范圍為0.001%～0.010%[13] 或0.01%～0.50%[18]。由此可見，現(xiàn)有的化學(xué)分光光度法和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法均明顯存在檢測元素種類涵蓋不全、測定下限高的問題。

近年來，隨著釩鋁中間合金產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對合金中的多種雜質(zhì)元素含量提出新的要求，因此建立檢測下限低、元素種類范圍更廣的方法已勢在必行。

電感耦合等離子體質(zhì)譜法（inductively coupledplasma mass spectrometry，ICP-MS）具有激發(fā)能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、干擾小、線性范圍寬以及檢出限低等特點(diǎn)，近年來已被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于高純金屬和高純金屬氧化物雜質(zhì)含量的測定中[19]，然而，目前還未見到有關(guān)將ICP-MS 用于釩鋁中間合金雜質(zhì)元素檢測的相關(guān)報(bào)道。本文采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法，通過研究分析了溶解酸體系、工作參數(shù)、同位素選定、內(nèi)標(biāo)溶液等測試條件對測試過程及結(jié)果的影響，以期建立釩鋁中間合金中砷等18 種雜質(zhì)元素的精準(zhǔn)測定方法，為我國高品質(zhì)釩鋁中間合金以及鈦合金的制造提供方法依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器

NexION 300X 型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國PerkinElmer 公司），進(jìn)樣系統(tǒng)包括耐氫氟酸霧化器和剛玉中心管；arium pro 型純水機(jī)（德國Storius公司）；BSA 124s 型天平（德國Storius 公司）；DS24-35F 型電熱板（Labotery 公司）。

1.2 試劑與標(biāo)樣

混合標(biāo)準(zhǔn)溶液A（美國PerkinElmer 公司）：含砷、鎘、鉻、銅、鎂、錳、鎳、鉛8 種元素，各元素質(zhì)量濃度均為10 μg/mL，5%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸介質(zhì)；混合標(biāo)準(zhǔn)溶液B（美國PerkinElmer 公司）：含硼、鉬、鈮、磷、鉭、鎢和鋯7 種元素，各元素質(zhì)量濃度均為10μg/mL，0.2%（體積分?jǐn)?shù)）氫氟酸和微量硝酸介質(zhì)；釔、錫、汞單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液（鋼鐵研究總院）1 000μg/mL；配制系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液C：含砷、鎘、鉻、銅、鎂、錳、鎳、鉛、硼、鉬、鈮、磷、鉭、鎢、鋯、釔、錫和汞待測元素，質(zhì)量濃度依次均為0、0.500、1.00、5.00、10.0、50.0、100 ng/mL。

鈧、銩內(nèi)標(biāo)溶液：50.0 ng/mL，采用1% 硝酸（體積分?jǐn)?shù)）將鈧、銩單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液（鋼鐵研究總院）逐級稀釋得到。

調(diào)諧溶液（美國PerkinElmer 公司）：含鈹、鈰、鐵、銦、鋰、鎂、鉛和鈾8 種元素1 μg/L，1%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸介質(zhì)。

硝酸（MOS 級，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司），氫氟酸（MOS 級，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司），鹽酸（MOS 級，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司） ， 超純水（ 二級去離子水， 電導(dǎo)率≥18.2MΩ·cm）。