Ti80钛合金光谱分析标准物质的研制

赵教育，张亚娟，袁满，张卫国，李宁

（中国船舶重工集团公司第十二研究所，陕西兴平 713102）

Ti80钛合金是专为舰船设计的一种具有高强耐蚀、易焊等优质性能的钛合金牌号，被广泛应用于潜艇、鱼雷、深潜器等水中兵器的受力构件、螺栓、轴及耐压耐蚀壳体［1］。Ti80钛合金名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，是一种铝含量较高并含有β型稳定元素Nb，Mo和中性元素Zr的近α型钛合金［2–3］。利用COMAR信息库(2014年版)查询到国内外现有钛合金标准物质的合金元素含量不能覆盖该材料的元素含量范围，影响该材料的快速成分分析。笔者以GB／T15000.1–15000.9［4］和JJG 1006–1994［5］为指导性技术文件，研制了Ti80钛合金光谱分析标准物质。

1 标准物质成分设计

光谱分析标准物质成分设计原则［6］要求：标准物质成分含量范围应覆盖所分析对象的成分范围，并应在规定成分范围基础上，主元素含量的上下限扩展10%～20%。根据Ti80钛合金的成分范围［7］，确定Ti80钛合金光谱分析标准物质的设计成分如表1。

表1 Ti80钛合金的成分范围及标准物质的设计成分 %

2 标准物质样品制备

参照同类标准物质制备过程［8］，Ti80钛合金光谱分析标准物质按照以下流程制备：

配料→包制合金包→压电极焊接一次电极→真空自耗电极电弧炉与凝壳炉复合熔炼→铸锭偏析检验→均匀化变形加工→机加工。

3 均匀性检验

采用单因素方差分析法（F法）对所研制的Ti80钛合金光谱分析标准物质进行均匀性检验，结果如表2所示。查表可知临界值F0.05(19，40)为1.85，从表2中可以看出，Ti80–1，Ti80–2，Ti80–3，Ti80–4，Ti80–5，Ti80–6中的Al，Mo，Nb，Zr，Si，Fe和C 7种元素的F值均小于临界值，均匀性合格。

表2 均匀性检验F值

4 稳定性考核

对研制的钛合金标准物质进行了为期1年3个时间间隔的稳定性考核，按照ISO导则35，如果符合式(1)，则可以认为材料足够稳定，结果表明本套标准物质的稳定性良好。

式中：xCRM——标准物质的特性值，%；

xmeas——测量值，%；

k——包含因子，置信水平为95%时k=2；

umeas——测量引入的标准不确定度，%；

uCRM——特性值的标准不确定度，%。

理想情况下umeas比uCRM小很多，式(1)可以简化为|xCRM-xmeas|≤2uCRM。以Ti80–3钛合金标准物质为例，稳定性考核数据见表3，相关参数见表4。从表4中可知，|xCRM–xmeas|均小于2uCRM，表明Ti80钛合金标准物质稳定性良好。

表3 Ti80–3钛合金标准物质稳定性考核数据 %

表4 Ti80–3钛合金标准物质稳定性考核参数

5 标准物质定值

Ti80钛合金光谱分析标准物质由北京航空材料研究院、北京有色研究总院、中国船舶重工集团公司第725所、抚顺特殊钢股份有限公司、西部金属材料宝鸡公司，宝鸡钛业股份有限公司、西北有色金属研究院、上海材料研究所，宝山钢铁集团特钢分公司等9家单位协作定值，定值结果如表5。

表5 Ti80光谱分析标准物质标准值、标准偏差及扩展不确定度U（k=2）汇总表 %

6 成线性考核

成线性是标准物质重要的应用特性。利用德国斯派克分析仪器公司的SPECTROLAB M11直读光谱仪对所研制的Ti80钛合金光谱分析系列标准物质进行了成线性考核，考核结果见表6。由表6可知，各元素线性相关系数均大于0.995，表明各元素成线性良好。

表6 Ti80钛合金光谱分析标准物质线性相关系数

7 比对结果

7.1 标准值不确定度比较

对Ti80系列标准物质与国外类似标准物质进行比较，各成分含量的不确定度结果见表7。由表7可知，该系列标准物质各元素的相对不确定度与国外钛合金标准物质的相当。

表7 Ti80钛合金光谱分析标准物质标准值及其不确定度 %

7.2 金相组织比较

Ti80系列标准物质中的Ti80–5与国外钛合金光谱分析标准物质IARM285A的金相组织如图1所示。由图1中可以看出Ti80–5的组织较IARM285A致密细小。

图1 国内外钛合金标准物质金相组织比较

7.3 一致性考核

将Ti80系列钛合金标准物质(Ti80–1～Ti80–6)与SPECTROLAB M11光电直读光谱仪预制曲线中的国外标样一起进行线性拟合，该设备的预制曲线是由40多种国外钛合金光谱标样建立的，各元素的线性相关系数列于表8。由表8可知，各元素线性相关系数均在0.995以上，说明本套标准物质与国外同类标准物质的线性一致性良好。

表8 Ti80光谱分析标准物质与类似标准物质一致性考核结果

8 结论

（1）本套钛合金光谱分析标准物质的成分范围覆盖了Ti80钛合金的成分范围，适用于钛合金相应元素的成分分析。

（2）在标准物质研制过程中，采用独特的标准物质熔炼及均匀化变形加工工艺，保证了标准物质设计成分和均匀性的要求。

（3）本套标准物质的定值元素具有良好的梯度分布，线性良好，在成分均匀性、标准值的不确定度水平等方面，已达到同类标准物质国际先进水平。

（4）采用研制的Ti80-1～Ti80-6钛合金光谱分析标准物质分别在著名厂家生产的光电直读光谱仪及X射线荧光光谱仪上建立工作曲线并分析国内外标准样品的含量，各元素线性相关系数均大于0.995，测量值与标准值基本吻合。

［1］蒋鹏，孟宪亮，刘茵琪，等.Ti80合金锻造工艺对显微组织和性能的影响［J］.稀有金属材料与工程，2005，34(增刊3): 286–288.

［2］陈军，赵永庆，常辉.中国船用钛合金的研究和发展［J］.材料导报，2005(6): 67–70.

［3］曹振新，张必强，毛彭龄，等. STi80 船用钛合金研究［J］.钛工业进展，2003，20(6): 22–25.

［4］GB／T 15000.1–15000.9 标准样品工作导则［S］.

［5］JJG 1006–1994 一级标准物质技术规范［S］.

［6］徐秋心.实用发射光谱分析［M］.成都：四川科学技术出版社.1993: 329–331.

［7］李兆峰，廖志谦，匡蒙生，等. Ti-6Al-2Zr-1Mo-3Nb合金微弧氧化陶瓷膜的结构与性能［J］.稀有金属材料与工程，2011，40(1): 40–44.

［8］赵教育，陈超选，张亚娟，等. TC11钛合金光谱分析标准物质的研制［J］.化学分析与计量，2012，21(1): 4–6.