X射線熒光光譜法測定鈦合金中的鋁、錫、鋯、鉬含量

劉春秘，高 鵬

（1.沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110031；2.高端裝備輕合金鑄造技術國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110021）

鈦元素是在18世紀被發現，但直到1948年才在美國實現了工業化應用。鈦合金具有強度高、密度小、機械性能好、韌性和抗蝕性能好的優點。鈦合金主要用于制作飛機發動機部件，其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件。60年代中期，鈦及其合金已在一般工業中應用，用于制作電解工業的電極，發電站的冷凝器，石油精煉和海水淡化的加熱器以及環境污染控制裝置等。目前鈦合金也已成為一種耐蝕結構材料。此外還用于生產貯氫材料和形狀記憶合金等。隨著航空工業的快速發展的需要，鈦工業以平均每年約8%的增長速度發展。目前世界鈦合金牌號已近30種。其中使用最廣的是Ti-5Al-2.5Sn（TA7），它在退火狀態下具有中等強度和足夠的塑性，焊接性能良好，可在500℃以下使用，當其間隙雜質元素（氧、氫、氮等）含量極低時，還具有良好的韌性和綜合力學性能，是優良的超低溫合金之一。為了保證其良好的力學性能，必須嚴格控制化學成分。為了保證其檢測周期，提高檢測速度，本文以鈦合金Ti-5Al-2.5Sn（TA7）和TA15為例，應用X射線熒光光譜法測定鈦合金中鋁、錫含量，TA15則選取測量鋯、鉬等微量元素的測定，經過實驗證明，該方法快速，準確。

1 實驗部分

1.1 儀器及測量條件

德國布魯克S8 TIGER型X射線熒光光譜儀，端窗為銠靶X射線管（4KW），工作電壓30kV、工作電流30mA，125μm鈹窗，真空為500mbar，視野光欄28mm，所測元素條件見表1，表2同時也列出了相關其他可能存在基體干擾元素的測量條件[1]。

圖1 分析儀器S8 TIGER X-射線熒光光譜儀

上圖1即為本實驗所用分析儀器S8 TIGER X-射線熒光光譜儀。

表1 主量元素測角儀測量條件

表2 相關元素測角儀測量條件

1.2 樣品制備

選取直徑為20mm～30mm的鈦合金TA7和TA15材質樣品試塊為代表，將其用車床車出表面平整光亮的平面，然后用酒精將殘留在樣品表面的油污等擦去，放入樣品盒中待測（在樣品的制備過程中，一定要注意保持樣品的表面光亮、清潔，避免表面受油污的污染，否則影響測量數據的準確性）。其中TA7的標準值用化學法測定其中含鋁4.72%、含錫2.49%，TA15中鋯和鉬的標準值分別為2.16和1.68。本實驗就是將用X射線熒光光譜法所測數據與化學法相比較，取其相對標準偏差，觀察它所測定的結果是否在其誤差允許范圍內。

1.3 標準工作曲線和基體校正[2]

按表2的測量條件，測得試樣中各元素分析線的強度，并繪制工作曲線。然后利用以下數學模型進行回歸分析，求出回歸系數（a，b，c，Aij、Bij、Cij） ，并存入計算機，待做回歸分析時取用。

式中：Xi——推算基準值；I——X射線強度；a——工作曲線曲率；b——工作曲線斜率；c——工作曲線截距。

式中：Wi——分析元素，i為校正后的含量；Fj——共存元素j的含量或強度；Aij——共存元素j對分析元素i的吸收、增強的影響系數；Bij——干擾系數；Cj——常數。

1.4 標準化

進行樣品測量之前，一定要首先對光譜儀本身進行漂移校正實驗，避免由于儀器本身的系統誤差而導致影響其精密度和結果的準確性。進行儀器校準后，將樣品放入儀器真空室中進行測定并采用點法扣背景[3]。它的計算公式為：

式中：IN——扣除背景的分析線強度；IP——峰值強度；IB——背景強度。儀器的漂移校正是通過標準化測量來完成的，借助于標準化又得到新的校正常數，進行強度校正，從而消除儀器的漂移對分析數據的影響。

2 結果與討論

2.1 實驗結果

2.1.1 載氣流量

大量實驗數據表明，Ar-CH4氣體作為載氣它的流量大小對實驗結果也有一定的影響，當它的流量升高時此時正比計數器所顯示的元素強度比較高，反之較小；因此一般來講載氣的流量選擇在45ml/min即可。同時如果在式樣制備與處理過程中，待測樣表面有油污染或者樣品表面打磨的不均勻，都將對所測結果產生較大誤差[4-6]。

2.1.2 工作電流、電壓

對于非輕元素來說測量時工作電壓、工作電流都不必過高；對于輕元素來說因其熒光產額比較低，出射的熒光強度較弱，受干擾元素的影響較大所以再選擇工作電壓、工作電流時要稍高些所產生的射線強度較大，因此所測數據結果校準些，效果會比較好。

2.1.3 干擾譜峰

由于Sn和Al等元素本身均不是輕元素，因此兩元素在接受X射線照射時所激發的Al-Kα線、Sn-Kα線，Sn-Kβ線等所受其他元素譜峰的干擾較小；但因其Al元素本身的性質及電子層能級的躍遷等因素影響它的干擾譜峰主要是Cr-Kβ1，該譜線對Al本身有一定的影響，但一般來講出現這種現象可以通過調節脈沖高度（PHA）減少或消除干擾譜峰的影響[7,8]。

2.2 精密度的測定

本實驗將同一樣品中選取Al、Sn為代表元素并作準確度和精密度實驗，應用S8型X射線熒光光譜法進行五次重復測定，所測結果及相對標準偏差見表3、表4。

表3 方法的準確度和精密度實驗（n=5）

實驗數據表明：此方法所測鈦合金數據同應用手工化學法所測數據結果基本一致，所選取的元素分析結果無論所測數值以及相對標準偏差均符合其允許誤差值，因此解決了在鈦合金生產工藝中對Al和Sn、Zr、Mo 等微量成分分析的需求，而且本方法所采用的是X-射線熒光光譜法既方便又快捷，又可以消除其它元素的干擾，可以說它是一個有效可行的方法。

表4 方法的準確度和精密度實驗（n=5）