化學分析方法測定鈦合金中Zr

孫巧寅

【摘 要】目前，鈦合金的應用在各個行業中發揮了重要作用，尤其體現在航空航天領域中的核心發動機零部件的制造方面。鋯（Zr）是目前高溫鈦合金中應用最為廣泛的中性元素，為維持鈦合金的穩定性發揮著極大的作用。通過化學分析的方法對鈦合金中Zr的含量和性能進行研究，可以分析Zr元素對鈦合金的作用和影響。論文主要運用EDTA容量法和苦杏仁酸重量法，對鈦合金中Zr的含量進行了討論與研究。

【Abstract】 At present， the application of titanium alloy plays an important role in all walks of life， especially in the manufacture of core engine parts in the aerospace industry. Zirconium （Zr） is the most widely used neutral element in high-temperature titanium alloys and plays a significant role in maintaining the stability of titanium alloys. The content and properties of Zr in titanium alloy were studied by chemical analysis method， and the effect and influence of Zr element on titanium alloy can be analyzed. This paper mainly uses EDTA volumetric method and bitter almond acid weight method to discuss and study the content of Zr in titanium alloy.

【關鍵詞】化學分析方法;鈦合金;鋯（Zr）

【Keywords】chemical analysis methods; titanium alloy; zirconium（Zr）

【中圖分類號】TG115 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2019）07-0127-02

1 引言

鈦是一種金屬結構，也是在21世紀發展迅速的一種材料。由于鈦合金的耐高溫、耐腐蝕、高強度等物理屬性，而被各個行業廣泛使用。在現代材料中，由于各個國家逐漸認識到鈦合金的重要性，不斷地對鈦合金的屬性及用途進行研究，并逐步將其投入實際應用當中，為科技的進步帶來了積極影響，促使生活更加便利。作為Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系鈦合金中的合金化元素，鋯（Zr）是鈦合金中較為重要的元素之一，因為其偏中性且在鈦合金中的溶解度高，所以也是最穩定的元素之一。

測定鋯含量的方法很多，如分光光度法、電化學分析法、ICP-AES，原子熒光光譜法以及質譜分析法等。但是由于上述測定鋯含量的方法均經過要多次稀釋試樣，因而產生的誤差較大，且測量結果容易出現不準確的情況。測定鋯含量時，EDTA容量法和苦杏仁酸重量法相較于以上方法更為精確。本文對這兩種方法進行了簡要地介紹。

EDTA絡合滴定法是一種容易操作的測定鈦合金中鋯元素的方法，但是由于EDTA標定物的改變，其分析結果也相差較大，且由于鋯元素本身的水解作用和聚合作用，如果試驗條件不精確，則容易造成EDTA的消耗和反色現象的出現。相較于苦杏仁酸重量法，EDTA滴定法的準確度較低。苦杏仁酸重量法雖然有較高的準確度，但是過程煩瑣，不易掌握和操作，且過程中需要消耗多種大量的酸性溶液，其他的試劑一般也有毒或有氣味。因此，相較于EDTA滴定法，苦杏仁酸重量法的安全性較低，且耗時較長，無法滿足快速分析的要求[1]。

2 EDTA容量法測定鈦合金中的鋯元素

2.1 試驗目的和使用范圍

EDTA容量法是一種快速測定的試驗方法，運用此方法測定鈦合金中所含的鋯元素，過程相對比較簡單，容易操作。

2.2 儀器設備

①一支50mL酸式滴定管;②一個滴定臺和一個滴定管夾;③十支10mL大肚移液管;④一只200mL錐形瓶;⑤一只2000mL（或1000mL）或十只300mL燒杯;⑥一只1000mL容量瓶;⑦一根玻璃棒;⑧100mL和5mL量筒各一個，50mL量筒兩個;⑨大于1200mL的搪瓷杯一個;⑩毛刷、吸水管、塑料勺、特種鉛筆;？輥？輯？訛一只500mL塑料洗瓶。

2.3 試驗試劑

①0.1mL/m3乙二胺四乙酸二鈉（即EDTA二鈉）標準液的配制：使用稱量儀器準確稱取37.266g固體EDTA二鈉，用有余溫的無二氧化碳蒸餾水將其溶解，當其全部溶解后，待其溫度降至與室溫平衡，用容量瓶將其定容至1000mL。②鹽酸溶液：配制1.19g/mL的鹽酸溶液。③固體鹽酸羥胺。④二甲酚橙（0.2%）。⑤鋯的標準溶液（0.5mg/mL）的配制：用蒸餾水溶化適量的硫酸亞鐵，然后加入濃硫酸，待其冷卻后用水稀釋，最后用重鉻酸鉀的標準液標定該液體。

2.4 試驗步驟

2.4.1 試驗準備

首先準備兩份試驗樣品，然后分別稱取0.5g鋯含量不同的試樣，再準備適量的1：1鹽酸待用。

2.4.2 試驗方法

①將多份適量的鹽酸（50mL左右）加入裝有相同重量試樣的錐形瓶中，將錐形瓶放在低溫爐中進行加熱，待其中的試樣完全溶解后，加入200mL的水繼續加熱至溶液沸騰。②在取出煮沸后的溶液試樣后，立即加入鹽酸羥胺0.5g，再加入0.5mL 0.2%二甲酚橙試液，用EDTA標準液對該溶液進行試樣滴定，當試液由紅變黃時停止滴定，并記錄EDTA標準液的消耗量。

Zr%=Vc×0.09122÷G×100

上述公式是計算鋯含量的公式，Vc是滴定的EDTA標準液的使用量，G是試驗樣品的重量。

2.5 試驗中的注意事項

①在對樣品進行試驗的過程中，要保證試樣溶解時的溫度為低溫，因為鹽酸容易揮發，所以要定時用水洗杯壁，防止蒸發過多。②滴定前，將試液加熱至沸騰，以便觀察溶液顏色的變化，找到滴定重點。③在試驗過程中需要謹慎和小心，試驗結果應控制在誤差范圍內，嚴格按照實驗室規定進行試驗操作，確保試驗人員和儀器的安全。

2.6 允許差

3 苦杏仁酸重量法測定鈦合金中的鋯元素

3.1 試驗原理

在鹽酸存在的條件下，鋯元素可與苦杏仁酸發生化學反應產生一種白色沉淀，這種沉淀叫做苦杏仁酸鋯沉淀[2]。試液在經過過濾、灼燒等操作后，可得到二氧化鋯。將二氧化鋯進行稱重，然后用焦硫酸鉀熔融后，再運用過氧化氫分光光度法對二氧化鈦的含量進行測定，最后計算出鋯在其中的含量。

3.2 試驗試劑和器材

在試驗開始前，準備鹽酸溶液、硫酸溶液、硝酸溶液、苦杏仁酸溶液、過氧化氫溶液、二氧化鈦標準溶液以及苦杏仁酸洗滌液。在試驗的過程中，需要使用的儀器有：分光光度計、燒杯、坩鍋、濾紙、漏斗、玻璃棒、鐵架臺以及容量瓶等。

3.3 試驗步驟

①首先獲取兩種鋯含量不同的試樣，并將其分別放入兩個燒杯中，向燒杯中加入鹽酸，保持低溫狀態防止鹽酸揮發，對其進行加熱，使試樣完全溶解在溶劑中，然后再向燒杯中緩緩加入水，過濾此時的溶液后，放入另外的兩個燒杯中，最后用鹽酸對燒杯和濾紙進行洗滌防止污染。②加熱約200mL的濾液至沸騰，然后一邊攪拌，一邊加入步驟一中經過過濾操作后的苦杏仁酸溶液，持續緩慢攪拌至有沉淀物析出，然后放置85℃左右的熱水中保溫40min。③放置較長時間后，用濾紙對沉淀物進行過濾，再使用苦杏仁酸溶液洗滌劑對沉淀物洗滌10次左右，將沉淀物放入坩鍋中烘干，然后灰化，最后放在高溫爐中加熱至1000℃進行灼燒操作，將沉淀物取出后放置干燥器中，待其冷卻至室溫。④向坩鍋中加入焦硫酸鉀，將坩鍋放置高溫爐中加熱至700℃左右，最終得到熔融物，取出后將該熔融物轉移至燒杯中冷卻，最后加入水[3]。⑤將溶液轉移至容量瓶中冷卻一段時間，然后加入硫酸并且滴入過氧化氫，用水稀釋后搖晃均勻。取出部分溶液后，在吸光池中測量吸光度，查詢得知二氧化鈦的質量為m2。⑥根據公式計算結果：Zr（%）=（m1-m2）×0.7403÷m×100，m1表示二氧化鋯和二氧化鈦的含量，單位為g，m2表示二氧化鈦的質量，單位為g，0.7403是二氧化鋯轉換成鋯的系數，m表示試驗樣品的總質量，單位為g。

3.4 允許差

鈦和鋯在多種礦物中共生，且化學性質較為相似，因而對鋯鈦混合物的分離和測定都不容易操作。但是，采取上述方法將鈦和鋯分離成二氧化鈦和二氧化鋯并進行測定，可以有效保證試驗結果的準確度和精密度。

4 結語

近年來，由于鈦合金在各個領域的應用越來越廣泛，促使各個國家的科學工作者對其進行試驗與研究。通過化學分析的方法來測量合金中的元素含量被廣泛地應用，不僅測量結果精密、準確，試驗成本低且容易操作。

【參考文獻】

【1】吳世凱.ICP-AES法同時測定鈦合金中八種元素的研究[J].特鋼技術，2007，13（4）：38-41.

【2】楊冠軍，趙永慶，于振濤，等.鈦合金研究、加工與應用的新進展[J].材料導報，2001，15（10）：19-21.

【3】陳立華.EDTA絡合滴定鉛時鐵的干擾與消除[J].有色礦冶，2011，27（1）：52-53.