电感耦合等离子体原子发射光谱法测定铁镍基高温合金GH140中硅的含量

2021-09-26张丹莉刘雷雷

河南化工 2021年8期

张丹莉，刘雷雷

(西安汉唐分析检测有限公司，陕西西安 710016)

GH140铁-镍基高温合金，其抗高温燃气腐蚀性能和耐高温性能优异，作为一种燃烧室材料，已在我国军用航空发动机上经过了长期的使用考验，证明它具有综合性能良好、使用可靠、价格便宜等优点,因而在我国航空发动机生产中获得了广泛的应用。主要用于长期在高温、高负荷及燃气腐蚀环境下服役的结构零部件，例如：重型柴油机排气阀、火焰筒、加力扩散器、加力筒体、加力输油圈、机尾罩蒙皮等[1-2]。GH140高温合金的基体是Fe-37Ni-20Cr固溶体，其中硅含量的高低对材料的烧伤、变形、裂纹和掉块等故障都有一定的影响。因而测定GH140高温合金中的硅元素含量对于材料的研发和生产中的质量控制有极其重要的意义。

目前测定硅的方法主要有分光光度法、ICP-AES法、原子吸收光谱法[3]。电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)相对于化学分析方法而言，有线性范围宽、基体效应小、检出限低、灵敏度高、快速、简便等特点，在冶金、地质、环境等领域被广泛应用[4-5]。本文采用电感耦合等离子体原子发射光谱法对铁镍基高温合金中的硅含量分析进行研究，对铁镍基高温合金样品的溶解、分析谱线选择、基体及共存元素干扰等进行实验，并进行了标准物质对照试验，建立了适于测定铁镍基高温合金中硅的分析方法，并应用于实际样品分析中。

高温合金溶解困难，经过多次试验，发现采用常温常压无法完全溶解样品。而本方法采用HCl-HF-HNO3混酸作为消解剂，在高温、高压条件下进行试样的消解，保证了试样溶解完全。采用电感耦合等离子体原子发射光谱法准确测定试样中的硅，对仪器工作状态及工作参数进行了优化，并考察了共存元素干扰及消除方法。本方法具有较高准确度及精密度。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

ICAP7000型高分辨率全谱直读等离子体原子发射光谱仪，美国Thermo公司；聚四氟乙烯高压消解罐。GH140铁镍基高温合金；高纯镍，99.9%；高纯铁粉，99.9%；氩气，纯度≥99.99%；盐酸(1+1)；硝酸(1+1)；氢氟酸(1+1)；硅标准溶液100 μg/mL。实验室用水均为二级水，所用试剂均为分析纯。

1.2 试验方法

1.2.1样品处理

称取0.100 0 g GH140高温合金试样置于30 mL聚四氟乙烯高压消解罐中，加入10 mL盐酸，5 mL硝酸，2 mL氢氟酸，旋紧瓶盖，放置于烘箱中，于140 ℃加热溶解4 h，关电源，取出自然冷却至室温。试液移入100 mL塑料容量瓶中，用水稀释至刻度，混匀后用于ICP-AES测定。

1.2.2仪器工作条件

RF功率，1 150 W；雾化气流量，0.5 L/min；辅助气流量，0.5 L/min；冷却气流量，10 L/min；观测高度，10 mm；积分时间，10 s；分析谱线(nm)，240.272{140}。优化后最佳的仪器工作条件为：射频功率1050 W，观测高度14 mm，雾化气流量0.6L/min，辅助气流量1.0 L/min，冷却气流量12 L/min。

1.2.3校准曲线的绘制

称取0.050 0 g高纯铁粉、0.050 0 g纯镍各7份分别置于一系列150 mL聚四氟乙烯烧杯中，加入10 mL盐酸、5 mL硝酸、2mL氢氟酸，盖上表面皿，低温加热溶解完全，取下，冷却至室温。

准确移取0、0.50、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL硅标准溶液于7个100 mL聚四氟乙烯容量瓶中,然后移入溶解完全的铁镍基体溶液作为空白校准溶液和基体匹配底液，用水稀释至刻度，混匀。该标准系列溶液对应硅的质量浓度依次为0、1、2、4、6、8、10 mg/L。将标准系列溶液于ICP-AES上测定，以硅的质量浓度为横坐标，发射强度为纵坐标绘制校准曲线。

2 结果与讨论

2.1 溶解试验

高温合金可选用盐酸、氢氟酸和硝酸混酸溶解。实验室溶解试样用的最多的方法还是在电热板上进行加热处理。随着样品消解难易程度的增加，样品处理时间长，效率低，而且可能会有碳化物、硅、钨等元素的沉淀，消解完全性、可重复性不理想。传统样品溶解方法是与环境联通的，这不仅会使样品有所损耗，而且会增加样品被污染的可能性，同时加入的溶解试剂也会随着挥发需要不断补充，增加试剂消耗。但用消解罐溶解试样就避免了硅的损耗。首先，称取3份0.100 0 g试样分别于聚四氟乙烯烧杯中，加入与1.2.3实验方法中等量的盐酸、氢氟酸和硝酸，于电热板上加热溶解，待反应结束，取下冷却后移入100 mL塑料容量瓶中，用水稀释至刻度，混匀待测；另称取9份0.100 0 g试样分别于聚四氟乙烯高压罐中，加入同样量的上述混酸，分别于100、140和180 ℃高温高压溶解4 h(每个温度溶解3份试样)，冷却后定容、测定，结果见表1。

表1 GH140高温合金溶解实验结果

表1中数据表明：在常压电热板加热条件下，硅形成四氟化硅挥发，测定结果明显偏低；在高压消解罐内100 ℃时加热3 h，试样溶解不充分，硅的测定结果偏低；在高压罐内140 ℃和180 ℃加热3 h，硅的测定结果一致稳定。因此实验选择于聚四氟乙烯高压罐中140 ℃加热4 h消解样品。

2.2 分析谱线的选择

在ICP-AES分析中，分析谱线选择非常灵活。不仅能同时测定多元素，而且对同一元素也可以选择多条特征谱线，利用这一特点选取了3条谱线进行测定，综合分析每条谱线的强度、谱图及干扰情况，确定了待测元素的最佳分析谱线为251.611 nm。

2.3 校准曲线

按优化的仪器工作条件，于ICP-AES上测定各标准溶液中硅的谱线强度，绘制硅的校准曲线。校准曲线的线性回归方程为I=304.2ρ+25，线性相关系数r=0.999 5。

2.4 基体效应

按照ISO13899标准规定称样量，分别选择1倍称样量和0.75倍称样量的高纯(铁基+镍基)打底建立校准曲线，测定国家标准样品。实验结果表明0.75倍称样量(铁基+镍基)打底时的测定值与认定值符合更好，说明更多的铁基+镍基打底导致基体效应严重，使分析结果偏高。进行基体效应影响试验，第1种方法是利用只进行(铁基+镍基)基体匹配建立的校准曲线进行测定，第2种方法是除了(铁基+镍基)基体匹配外，在标准溶液系列中加入相应含量的铬、钼、钨等主量元素进行基体匹配建立校准曲线进行测定，结果表明这两种方法对标准样品的测定结果一致，且与认定值符合较好，铬、钼、钨均不干扰硅的测定。所以本方法采用只进行(铁基+镍基)基体匹配进行测定。