ICP-AES測定鈷基高溫合金中硅方法初探

鮑葉琳 劉鵬宇 臧慕文

摘 要：測定高溫合金中的硅，傳統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，以鉬藍分光光度法測定。因鈷基高溫合金具有堅硬且耐腐蝕等特點，采用電爐加熱分解樣品時間長且樣品易沾污;鉬藍光度法顯色需要多種試劑，顯色過程時間長。本文采用微波消解樣品，用電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-AES），通過選擇元素間相對無干擾的光譜線251.611nm或288.158nm作為Si的分析線，測定了鈷基高溫合金中的硅。方法檢出限為0.008μg/mL，加標回收率為95.3%。11次平行測定的相對標準偏差為1.8%。精密度和正確度能滿足分析要求。

關鍵詞：電感耦合等離子體原子發射光譜法;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，有優良的高溫抗氧化與耐腐蝕性能等優點，被廣泛應用于制作渦輪發動機葉片的合金材料[1]。主要用于航空噴氣發動機、工業燃氣輪機、艦船燃氣輪機的導向葉片和噴嘴導葉以及柴油機噴嘴，在醫學上還可用于人工關節等[2]。高溫合金中的硅元素影響著合金的硬度，可以通過控制合金中的Si 含量來改變合金組織和硬度[3]。

目前針對合金中硅的檢測方法主要為分光光度法和重量法。鈷基高溫合金堅硬而耐腐蝕，用電爐加熱分解樣品需時長，易沾污或損失樣品，不適合于大批量任務的檢測。電感耦合等離子發射光譜分析法（ICP-AES）可同時測定多種元素，操作簡單快捷。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測定方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

725-ICP-AES發射光譜儀（美國安捷倫公司）。CEM-MARS5微波消解儀（美國CEM公司）。HCl，HNO3， HF（GR）;Si標準儲備液（1. 0 mg /mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心）;二次去離子水。

1.2 試驗方法

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。儀器參數的設置見表1。待消解結束后，溫度冷卻至低于60℃時取出，將溶液轉移入250mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻。同時做一份空白溶液，和處理完的樣品溶液一起用ICP-AES檢測。

2 結果與討論

2.1 樣品預處理方式的選擇

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處理方式，傳統的電熱板加熱不理想。

2.2 消解參數的選擇

稱取0.10g（精確至0.0001g）樣品，分別采用不同的消解溫度、不同的消解時間。表1步驟2中的溫度和時間分別選擇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時測得Si的含量最高，檢測值為質量分數1.04%。在同樣140℃的消解溫度下，增加保持時間得到的結果偏低;在相同的保持時間下提高消解溫度，結果進一步降低。而140℃加熱保持20 min的條件，得到的結果與傳統光度法的結果（1.06%）吻合。若消解溫度降至120℃，即使加熱時間達到40min，仍有部分Si未能完全消解。消解溫度高，時間長，Si易與氫氟酸生成易揮發的SiF4。于樣品空白中加入20μg/mL的Si標準溶液，在160℃的消解溫度下，保持20 min后冷卻，定容后測定，回收率只有90%。說明160℃的消解溫度已經可以造成Si的揮發損失。

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中條件消解后測定，對比結果見圖1。

結果表明，增大鹽硝混酸的量對結果沒有顯著的影響。酸度高會影響檢測儀器的使用壽命，增加環境負擔。在樣品消解完全的前提下，應該用最少量的酸，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的選擇

根據實際樣品的情況，選擇50μg/mL的鋁、鈷、鉻、鐵、錳、鎳、鉬、鎢、鉭元素的標準溶液進行共存元素干擾的考察。使用純試劑標準曲線，分別于250.690nm，251.611nm和288.158nm處觀察表2中各元素的測定值，結果見表2。Co250.688對Si250.690光譜線存在不可忽略的干擾，Mo251.609光譜線對Si251.611nm光譜線存在干擾;當待測溶液中的Mo質量濃度大于10μg/mL時，Mo對Si251.611分析線的干擾已經不可忽略。W288.159光譜線對Si288.158光譜線存在干擾;當待測溶液中的W質量濃度大于7μg/mL時，W對Si288.158分析線的干擾已經不可忽略。Ta288.160光譜線對Si 288.158分析線存在不可忽略的干擾;當待測溶液中的Ta質量濃度大于0.8μg/mL時，W對Si288.158分析線的干擾已經不可忽略。當樣品中含有較高的W，Mo，Ta共存元素時，應根據具體含量選擇251.611nm或288.158nm作為Si的分析線。

2.5 加標回收實驗

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

2.6 光度法對照實驗

稱取0.1g（精確至0.0001g）樣品，用光度法進行比對，結果為1.06%，與ICP-AES結果1.04%良好吻合，兩種方法可互相驗證。

2.7 檢出限和測定下限

對含基體空白的溶液進行獨立的11次測定，按其3倍標準偏差所對應的濃度計算的檢出限為0.008μg/ mL;按5倍檢出限計算的測定下限為0.04μg/ mL。能滿足分析的要求。

2.8 精密度實驗

樣品獨立測定11次，計算得到標準偏差為0.018，相對標準偏差為1.8%。能夠滿足分析的要求。

3 結論

經過初步探索，利用微波消解技術對難溶的鈷基高溫合金樣品進行前處理，再利用ICP-AES測定樣品中硅含量的方法是可行的，且本方法在簡化檢測流程，節省人力和處理批量檢測任務方面相比傳統方法更具優勢。

參考文獻：

[1]張祖謙，劉志中.渦輪葉片用高溫合金發展中的幾個問題[J].國際航空，1978（04）：43-48.

[2]張強，張宏煒，賈新云等.長期時效對定向凝固高溫合金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，李穎.硅鉬藍光度法測定鈷基焊絲中的硅含量[J].現代冶金，2016，44（03）：21-22.