ICP-AES法測定Ti-45Nb合金中鐵、硅、鉻、鎂和錳等雜質元素

龐曉輝 高 頌 許維兵 房麗娜

(1.中國航發北京航空材料研究院，北京100095；2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京100095；3.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

ICP-AES法測定Ti-45Nb合金中鐵、硅、鉻、鎂和錳等雜質元素

龐曉輝1,2,3高 頌1許維兵1房麗娜1

(1.中國航發北京航空材料研究院，北京100095；2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京100095；3.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

介紹了采用電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-AES)測定Ti-45Nb合金中雜質元素鐵、硅、鉻、鎂、錳的方法，樣品采用鹽酸、氫氟酸加硝酸溶解，溶解溫度控制在室溫或水浴70℃以下。進行了儀器工作參數和待測元素分析線的選擇試驗，確定了儀器最佳工作條件, 考察了合金基體鈦和共存元素鈮對待測元素的影響，確定了各待測元素分析線分別為Fe238.204 nm ，Si251.611 nm，Cr205.560 nm，Mg279.533nm,Mn260.568nm。通過基體匹配消除基體的影響，實現了用電感耦合等離子體原子發射光譜法測定鈦鈮合金中鐵、硅、鉻、鎂、錳元素的含量。進行了加入回收試驗，回收率在90～120%之間，方法的檢出限是0.0006 ～0.008μg/mL，相對標準偏差小于10%。

電感耦合等離子體原子發射光譜法 Ti-45Nb合金 雜質元素

1 引言

先進飛機選用越來越多的鈦合金和復合材料，作為復合材料連接件的鈦合金緊固件的用量也隨之增加，鈦合金緊固件代替部分比其強度較低的鋼制緊固件，取得了明顯的減重效果，鈦合金具有優異的耐腐蝕性能，特別是它的正電位性能恰好與碳纖維復合材料相匹配，有效地防止了緊固件的電偶腐蝕。這一特性是任何其他材料所無法取代的，因此鈦合金緊固件迅速發展、用量逐年增加，目前大量采用Ti-45Nb合金作為緊固件用材料，即含45%鈮的鈦鈮合金。Ti-45Nb合金綜合性能均高于純鈦，進一步降低飛機的結構質量、提高連接部件的可靠性以及延長飛機的設計使用壽命[1]。Ti-45Nb合金不僅要嚴格控制鈮含量范圍，合金中雜質元素如鐵、硅、鉻、鎂、錳等元素也需要嚴格控制在0.01%或0.03%以下[2]，準確測定Ti-45Nb合金中雜質元素有迫切需求，有文獻報道測定鈮鈦合金雜質元素[3]，，采用的是原子發射光譜法的攝譜法，樣品和標準制備成粉末裝入特制的石墨電極中，用直流弧光光源激發，用攝譜儀攝取譜片，用測微光度計測量譜線黑度進行分析，操作過程相對繁瑣。

電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)具有線性范圍寬、檢出限低、靈敏度高、快速簡便的特點，在鈦合金材料分析中被廣泛應用[4-8]。但Ti-45Nb合金中由于鈮的含量高，存在樣品溶解困難，光譜干擾嚴重等問題，未見有用ICP-AES分析Ti-45Nb中雜質的文獻。本實驗采用ICP-AES對Ti-45Nb合金中雜質元素的測定進行了研究，對Ti-45Nb合金樣品的溶解、分析譜線選擇、基體及共存元素干擾等進行了的試驗，建立了適于測定Ti-45Nb合金中鐵、硅、鉻、鎂、錳的分析方法，并應用于實際樣品分析中。

2 實驗部分

2.1 儀器和工作條件

美國Perkin Elmer公司生產的Optima5300V型全譜直讀電感耦合等離子體光譜儀；分段式電感耦合檢測器SCD；高頻頻率：40MHz；正向功率：1.3kW，觀測高度：15mm，冷卻氣流量：15L/min，霧化氣流量：0.9L/min，輔助氣流量：0.2L/min；積分時間：2～5s

分析線波長：Fe238.204 nm ，Si251.611 nm，Cr205.560 nm，Mg279.553nm,Mn260.568nm。

2.2 試劑

鐵、硅、鉻、鎂、錳的單元素標準儲備液1.00 mg/mL，國家標準溶液，鋼鐵研究總院制，使用時逐級稀釋，配制成適當濃度的混合標準溶液。

所用器皿燒杯為聚四氟乙烯材料，容量瓶為塑料容量瓶，實驗用鹽酸、硝酸、氫氟酸均為優級純,水為二次蒸餾水,基準物鈦、鈮純度大于99.95%。

2.3 實驗方法

稱取0.1000g樣品置于150mL燒杯中，加入10mL鹽酸、1mL氫氟酸1mL硝酸，室溫下溶解或水浴控溫70℃以下溶解完全，冷卻后轉移入100mL容量瓶中，用水稀釋至刻度,搖勻。根據待測雜質元素的含量范圍配制校準曲線，校準曲線溶液配制時按Ti-45Nb合金中鈦和鈮的量進行基體匹配，酸度匹配。

2.4 測定

于Optima5300V型光譜儀上，在選定的工作條件下測量，以濃度為橫坐標，以譜線強度為縱坐標，繪制校準曲線，測量試樣中各元素的含量。

3 結果與討論

3.1 樣品的溶液的制備

一般鈦合金可以用稀硫酸溶解[9]或者采用鹽酸加氫氟酸溶解，而金屬鈮只溶于加有硝酸的氫氟酸中，對Ti-45Nb合金樣品溶解方法進行了試驗，分別采用稀硫酸，鹽酸加氫氟酸，硝酸加氫氟酸、鹽酸加硝酸再加氫氟酸的不同混酸組合進了試驗，比較了溶解效果。試驗表明采用鹽酸、氫氟酸加硝酸溶解方法可較好溶解Ti-45Nb合金樣品，樣品溶解完全，溶解速度快，溶解過程中控溫70℃以下，以防硅元素損失。本方法采用鹽酸、氫氟酸加硝酸的溶解方法進行樣品處理。

3.2 分析譜線的選擇

待測元素譜線應免受光譜干擾、足夠的線性范圍、靈敏度高，根據電感耦合等離子體發射光譜圖冊[10]提供的鐵、硅、鉻、鎂、錳等元素的推薦譜線及背景等效濃度、檢出限、信噪比等參數，對鐵、硅、鉻、鎂、錳的譜線進行初選，選擇2～3條靈敏線考察，用濃度為1μg/mL的鐵、硅、鉻、鎂、錳的單標準溶液在選定的波長處進行譜圖掃描，再用Ti(0.55 mg /mL) 和Nb(0.45 mg /mL)元素溶液在同一波長處掃描，疊加譜圖，觀察譜線受干擾情況，結果見表1。

表1 譜線受干擾情況

經試驗發現鈦和鈮對待測元素譜線有不同程度的干擾，需要選擇合適的譜線并選擇適當位置扣背景以消除干擾，選定的結果見表2。

表2 分析線波長及扣背景點

3.3 線性范圍、相關系數和檢出限

根據Ti-45Nb合金樣品中鐵、硅、鉻、鎂、錳的含量范圍和基體成分，進行基體匹配制備校準曲線,考察其線性范圍、相關系數和檢出限。

方法檢出限是選用的分析方法和所用儀器進行分析的重要技術指標，它表明該方法所能檢測元素的最低濃度，在確定的測量條件下對空白溶液進行了11次測定，計算其標準偏差，以3倍的標準偏差為其檢出限，計算出各待測元素的檢出限,見表3。

表3 線性范圍、相關系數、檢出限

3.4 方法的準確度和精密度

按所確定的儀器工作參數與實驗方法，對Ti-45Nb合金樣品進行測定并做標準加入回收試驗和精密度試驗(n=6)，結果見表4。

表4 回收率，精密度 %

4 結論

本方法采用ICP-AES法進行了Ti-45Nb合金中雜質元素鐵、硅、鉻、鎂、錳測定研究，試驗確定了用鹽酸、氫氟酸加硝酸的溶解方法進行樣品處理，使樣品快速完全溶解，選擇靈敏度高，干擾小的譜線為分析譜線，通過基體匹配消除光譜干擾。加入回收試驗回收率在90～120%之間，方法的檢出限是0.0006～0.008μg/mL，本方法快速、準確,可用于Ti-45Nb合金中雜質元素鐵、硅、鉻、鎂、錳的測定。

[1]王新南，朱知壽，商國強，等.緊固件用Ti-45Nb合金熱處理工藝研究[J].鈦工業進展, 2010,12 27(6): 24-27.

[2]商國強，王新南，唐斌，朱知壽. 緊固件用Ti-45Nb合金絲材的性能評價.中國有色金屬學報,T 2010,10 20(1): 70-73..

[3]成勇.ICP-AES測定鈦合金中硅釩鐵鋁鎳鉬[J]．稀有金屬材料與工程，2012，41(10)：1871-1874．

[3]李波，王輝，魏宏楠，等.發射光譜法測定鈮鈦合金中雜質元素含量[J]．Ti工業進展，2011.2，28(1)：30-33．

[4]李慧芝，翟殿棠，許崇娟，等．發射光譜法同時測定鈦基復合材料中的鎳鐵鉬錳和硼的研究[J]．光譜學與光譜分析，2007，27(6)：1204-1206．

[5]羊送球，黃永紅．ICP-OES法測定鈦合金中硼含量EJ]．鈦工業進展，2006，23(2)：35-36．

[6]杜米芳.電感耦合等離子體原子發射光譜法測定鈦合金中硼[J].冶金分析,2010，(11)：30-35.

[7]杜米芳，李治亞，李景濱，等.電感耦合等離子體原子發射光譜法測定海綿鈦合鐵硅錳鎂[J].冶金分析2009，29(7)：24-27.

[8]吳世凱.ICP-AES法同時測定鈦合金中八種元素的研究. 特鋼技術，2007.(4)：38-40.

[9] HB 7716.1～14-2002《鈦合金化學成分光譜分析方法》“第13部分:電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)測定鋁、鉻、銅、鉬、錳、釹、錫、釩、鋯含量”和“第14部分:電感耦合等離子體原子發射光譜法測定微量釔含量”.

[10] Wing R K, Fassle V A，Peterson V J，Floyd M A. 電感耦合等離子體發射光譜圖冊[M]，錢國賢，黃鑫泉，孟廣政譯.中國光學學會光譜學會，1986.

信息簡訊

如海光電推出手持拉曼新品A3000Plus 可批量生產

日前，上海如海光電科技有限公司發布新品手持式拉曼危險品物項檢查儀 EVA 3000Plus。據悉，這是一款邢偵反恐、緝毒防疫專用的安檢儀器，用于液體、固體、粉末及水溶液等各種形態的爆炸物、毒品、易制毒化學品、酒精及精神類藥品等樣品的拉曼譜圖檢出。

據相關負責人介紹，這款產品的元部件全部國產化，可以實現批量制造；在價格方面，產品的終端官方報價17.5萬元(含稅)。

據悉，這款產品雖然剛剛推出，但是目前已經有3個訂單的預銷售，主要是在公安系統。

(上海如海光電科技有限公司)

Determination of impurity elements Fe, Si, Cr,Mg and Mn in Ti-45Nb Alloy by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry.

Pang Xiaohui1,2,3,Gao Song1,Xu Weibing1,Fang Lina1

(1.AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095,China; 2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluatin, Beijing 100095,China;3.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095,China)

The analytical lines were Fe 238.204 nm,Si 251.611nm,Cr 205.560 nm, Mg 279.553 nm and Mn 260.568 nm respectively ,the effects of matrix and coexist elements on the determination were dissolved. The matrix effect was corrected by matrix matching. The detection limit is 0.0006-0.008 ug/ml，the recovery rate is from 90% to 120%, the RSDs are less than 10%.

inductively coupled plasma atomic emission spectrometry； Ti-45Nb alloy ；impurity elements

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.04.016

2017-03-14

龐曉輝，男，1964年出生，技師，本科，從事材料化學成分分析研究工作，E-mail:pangxiaohui136@sina.com。