ICP-AES測(cè)定鈷基高溫合金中硅方法初探

鮑葉琳 劉鵬宇 臧慕文

摘 要：測(cè)定高溫合金中的硅，傳統(tǒng)的方法是采用鹽酸硝酸混酸分解，加入氫氟酸，水浴加熱溶解樣品中硅，以鉬藍(lán)分光光度法測(cè)定。因鈷基高溫合金具有堅(jiān)硬且耐腐蝕等特點(diǎn)，采用電爐加熱分解樣品時(shí)間長(zhǎng)且樣品易沾污;鉬藍(lán)光度法顯色需要多種試劑，顯色過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)。本文采用微波消解樣品，用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES），通過(guò)選擇元素間相對(duì)無(wú)干擾的光譜線251.611nm或288.158nm作為Si的分析線，測(cè)定了鈷基高溫合金中的硅。方法檢出限為0.008μg/mL，加標(biāo)回收率為95.3%。11次平行測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.8%。精密度和正確度能滿足分析要求。

關(guān)鍵詞：電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法;微波消解;鈷基高溫合金;硅

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.050

鈷基高溫合金因硬度大，有優(yōu)良的高溫抗氧化與耐腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制作渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的合金材料[1]。主要用于航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、艦船燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片和噴嘴導(dǎo)葉以及柴油機(jī)噴嘴，在醫(yī)學(xué)上還可用于人工關(guān)節(jié)等[2]。高溫合金中的硅元素影響著合金的硬度，可以通過(guò)控制合金中的Si 含量來(lái)改變合金組織和硬度[3]。

目前針對(duì)合金中硅的檢測(cè)方法主要為分光光度法和重量法。鈷基高溫合金堅(jiān)硬而耐腐蝕，用電爐加熱分解樣品需時(shí)長(zhǎng)，易沾污或損失樣品，不適合于大批量任務(wù)的檢測(cè)。電感耦合等離子發(fā)射光譜分析法（ICP-AES）可同時(shí)測(cè)定多種元素，操作簡(jiǎn)單快捷。本文研究了鈷基高溫合金試樣消解方法初步探索了其中硅含量的ICP-AES測(cè)定方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

725-ICP-AES發(fā)射光譜儀（美國(guó)安捷倫公司）。CEM-MARS5微波消解儀（美國(guó)CEM公司）。HCl，HNO3， HF（GR）;Si標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（1. 0 mg /mL，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心）;二次去離子水。

1.2 試驗(yàn)方法

稱取0.10g（精確至0.0001g）樣品，置于100mL微波消解罐中，加入混酸（VHCl：VHNO3：VHF=10：3：5），加蓋密封，將消解罐置于微波消解儀。儀器參數(shù)的設(shè)置見(jiàn)表1。待消解結(jié)束后，溫度冷卻至低于60℃時(shí)取出，將溶液轉(zhuǎn)移入250mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻。同時(shí)做一份空白溶液，和處理完的樣品溶液一起用ICP-AES檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品預(yù)處理方式的選擇

采用電熱板加熱。0.1g 樣品需要加入25mL濃鹽酸，5mL濃硝酸，于200℃電熱板上加熱3h，趁熱加入5mL氫氟酸，繼續(xù)低溫加熱至溶解完全，可得到清亮溶液。相比微波消解的樣品預(yù)處理方式，傳統(tǒng)的電熱板加熱不理想。

2.2 消解參數(shù)的選擇

稱取0.10g（精確至0.0001g）樣品，分別采用不同的消解溫度、不同的消解時(shí)間。表1步驟2中的溫度和時(shí)間分別選擇160℃和20 min，140℃和40 min，140℃和20 min，120℃和40 min。其中采用140℃加熱保持20 min時(shí)測(cè)得Si的含量最高，檢測(cè)值為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.04%。在同樣140℃的消解溫度下，增加保持時(shí)間得到的結(jié)果偏低;在相同的保持時(shí)間下提高消解溫度，結(jié)果進(jìn)一步降低。而140℃加熱保持20 min的條件，得到的結(jié)果與傳統(tǒng)光度法的結(jié)果（1.06%）吻合。若消解溫度降至120℃，即使加熱時(shí)間達(dá)到40min，仍有部分Si未能完全消解。消解溫度高，時(shí)間長(zhǎng)，Si易與氫氟酸生成易揮發(fā)的SiF4。于樣品空白中加入20μg/mL的Si標(biāo)準(zhǔn)溶液，在160℃的消解溫度下，保持20 min后冷卻，定容后測(cè)定，回收率只有90%。說(shuō)明160℃的消解溫度已經(jīng)可以造成Si的揮發(fā)損失。

2.3 消解酸度的選擇

稱取0.1g（精確至0.0001g）樣品，分別加入不同比例的鹽硝混酸以及5mL氫氟酸，按表1中條件消解后測(cè)定，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖1。

結(jié)果表明，增大鹽硝混酸的量對(duì)結(jié)果沒(méi)有顯著的影響。酸度高會(huì)影響檢測(cè)儀器的使用壽命，增加環(huán)境負(fù)擔(dān)。在樣品消解完全的前提下，應(yīng)該用最少量的酸，所以選擇10mL鹽酸，3mL硝酸溶解樣品。

2.4 共存元素干擾和分析線波長(zhǎng)的選擇

根據(jù)實(shí)際樣品的情況，選擇50μg/mL的鋁、鈷、鉻、鐵、錳、鎳、鉬、鎢、鉭元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行共存元素干擾的考察。使用純?cè)噭?biāo)準(zhǔn)曲線，分別于250.690nm，251.611nm和288.158nm處觀察表2中各元素的測(cè)定值，結(jié)果見(jiàn)表2。Co250.688對(duì)Si250.690光譜線存在不可忽略的干擾，Mo251.609光譜線對(duì)Si251.611nm光譜線存在干擾;當(dāng)待測(cè)溶液中的Mo質(zhì)量濃度大于10μg/mL時(shí)，Mo對(duì)Si251.611分析線的干擾已經(jīng)不可忽略。W288.159光譜線對(duì)Si288.158光譜線存在干擾;當(dāng)待測(cè)溶液中的W質(zhì)量濃度大于7μg/mL時(shí)，W對(duì)Si288.158分析線的干擾已經(jīng)不可忽略。Ta288.160光譜線對(duì)Si 288.158分析線存在不可忽略的干擾;當(dāng)待測(cè)溶液中的Ta質(zhì)量濃度大于0.8μg/mL時(shí)，W對(duì)Si288.158分析線的干擾已經(jīng)不可忽略。當(dāng)樣品中含有較高的W，Mo，Ta共存元素時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體含量選擇251.611nm或288.158nm作為Si的分析線。

2.5 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

稱取0.1g（精確至0.0001g）樣品，加入含有4μg/mLSi的標(biāo)準(zhǔn)溶液，微波消解，ICP-AES測(cè)定。回收率為95.3%，能滿足分析要求。

2.6 光度法對(duì)照實(shí)驗(yàn)

稱取0.1g（精確至0.0001g）樣品，用光度法進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果為1.06%，與ICP-AES結(jié)果1.04%良好吻合，兩種方法可互相驗(yàn)證。

2.7 檢出限和測(cè)定下限

對(duì)含基體空白的溶液進(jìn)行獨(dú)立的11次測(cè)定，按其3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對(duì)應(yīng)的濃度計(jì)算的檢出限為0.008μg/ mL;按5倍檢出限計(jì)算的測(cè)定下限為0.04μg/ mL。能滿足分析的要求。

2.8 精密度實(shí)驗(yàn)

樣品獨(dú)立測(cè)定11次，計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.018，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.8%。能夠滿足分析的要求。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)初步探索，利用微波消解技術(shù)對(duì)難溶的鈷基高溫合金樣品進(jìn)行前處理，再利用ICP-AES測(cè)定樣品中硅含量的方法是可行的，且本方法在簡(jiǎn)化檢測(cè)流程，節(jié)省人力和處理批量檢測(cè)任務(wù)方面相比傳統(tǒng)方法更具優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張祖謙，劉志中.渦輪葉片用高溫合金發(fā)展中的幾個(gè)問(wèn)題[J].國(guó)際航空，1978（04）：43-48.

[2]張強(qiáng)，張宏煒，賈新云等.長(zhǎng)期時(shí)效對(duì)定向凝固高溫合金DZ8組織與性能的影響[J].材料工程，2009，增刊1：142-145.

[3]尚麗娟，才慶魁，劉常升等.用稀土改性鈷基合金激光熔覆層[J].稀有金屬，2002，26（03）：173-178.

[4]繆亞國(guó)，李穎.硅鉬藍(lán)光度法測(cè)定鈷基焊絲中的硅含量[J].現(xiàn)代冶金，2016，44（03）：21-22.