钛合金中Cr、Fe、Si元素含量的ICP-OES分析

王翠翠，刘玉龙，王 燕，梁永涛

(中信重工机械股份有限公司，河南 洛阳 471039)

钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高。主要用于制作飞机发动压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。其中的化学成分Cr、Fe、Si等元素的检测手段也在不断提高。近几年来，电感耦合等离子体原子发射光谱法(简称 ICP-AES)具有线性范围宽、检测限低、精密度高、基体效应小、干扰少且易于排除，可进行多元素同时测定等优点，已成为冶金行业中不可缺少的重要分析手段。

本文通过用硫酸、硝酸对样品进行溶解，优化仪器条件、选定最佳测定波长，选择合适的谱线，对钛合金中Cr、Fe、Si元素进行同时测定，测定结果满意。

1 仪器与试剂

1.1 仪 器

先行者CP114电子天平，奥豪斯仪器(上海)有限公司；Varian-OES 725光电藕合等离子体发射光谱仪，美国瓦里安仪器公司。

1.2 试 剂

浓硝酸(HNO3)，市售；浓硫酸(H2SO4)，市售;1+1硫酸(H2SO4)：先将1份水加入500 mL的烧杯中，在缓慢加入一份硫酸，边加边搅拌;钛粉(质量分数大于99.95%);铬标准溶液(1000 μg/mL);铁标准溶液(100 μg/mL);硅标准溶液(100 μg/mL)。

2 分析方法

2.1 样品制备

称取被测样品0.1000 g，放入50 mL的钢铁两用瓶中，加入1+1硫酸10 mL，在低温电炉上加热熔解，待剧烈反应结束后，滴加浓硝酸至紫色褪去，煮沸除去氮氧化物，取下冷却，用蒸馏水稀释到定容刻度，摇匀备用。

2.2 仪器测量条件

功率：1.00 kW;等离子气流量：15.0 L/min;辅助气流量：15.0 L/min;雾化器压力：220 kPa;观测高度：11 mm;读数时间：3.00 s/次;读数次数：3次;仪器稳定时间：10 s/次;各元素分析谱线波长/nm：Cr 206.158，Fe 234.350，Si 185.005。

2.3 标准曲线绘制

表1 标准曲线系列Table 1 Standard curve series

称取钛粉0.1000 g 6份与50 mL的容量瓶中，用2.1样品制备方法制备，按照表1加入量添加标准溶液Cr、Fe、Si。用标准溶液系列在光电藕和等离子体发射光谱仪(型号Varian-OES 725)上，在2.2仪器测量条件下，利用仪器自身软件绘制标准曲线。

表2 工作曲线参数表Table 2 Working curve parameters

2.4 被测样品分析

按照2.1制备好的待分析样品，在2.3中所建立的分析程序中，对被测样品进行分析检测。

3 结果与讨论

3.1 样品制备条件选择

对于钛合金试样用硫酸溶解效果较好，而对于本试验室ICP型号而言：硫酸粘度大，雾化效果不理想。分别用硫酸+水：2+1、1+1、1+2 溶解试样，发现用1+1的硫酸溶解试样，速度快、无残渣，在ICP-OES上测定结果良好。

3.2 仪器工作条件选择

化学分析准确度的大小与条件的选择密切相关，条件选择得当，分析结果就会十分准确。在ICP发射光谱中，有几个主要分析参数影响分析性能，它们主要是：高频功率、雾化器压力、观测高度、读数时间、各元素分析谱线波长等，直接影响元素分析的准确度和精密度。其中高频功率、雾化器压力、观测高度和读数时间的选择都是以信背比来衡量的。

3.2.1 分析谱线的选择

经查阅谱线图选择拟用谱线，在实际工作条件下进行测量，通过对谱峰图的观察，分析判断，剔除实际干扰较大的谱线，选择没有干扰或干扰一致、强度相对适中的谱线作为分析用谱线。

3.2.2 等离子体功率的选择

在等离子气流量：15.0 L/min；辅助气流量：15.0 L/min；雾化器压力：220 kPa；观测高度：12 mm；读数时间：3.00 s/次；仪器稳定时间：10 s/次的条件下，对等离子体功率进行优化选择。当等离子体功率为1.00 kW时，各元素信背比较好，因此等离子体工作功率确定为：1.00 kW。

3.2.3 雾化器压力的选择

雾化器压力决定分析液体的雾化效果，决定进入等离子体——燃烧炬管样品的数量和均匀性，对分析结果有直接的影响。在等离子体功率1.00 kW、等离子气流量：15.0 L/min；辅助气流量：15.0 L/min；观测高度：12 mm；读数时间：3.00 s/次；仪器稳定时间：10 s/次的条件下，通过实验对雾化器压力进行优化选择。最终选择220 kPa为雾化器工作压力。

3.2.4 观测高度选择

在等离子体功率1.00 kW、等离子气流量：15.0 L/min；辅助气流量：15.0 L/min；雾化器压力220 kPa；读数时间：3.00 s/次；仪器稳定时间：10 s/次的条件下，通过实验对观测高度进行优化选择。选择观测高度为：11 mm。

3.2.5 读数时间的选择

光源进入仪器内部通过色散，元素特征谱线在检测器上的停留时间，在分析条件中用读数时间来表示。原则上低含量元素分析选择分析时间相对较长2～4 s，高含量元素分析选择分析时间相对较短1～3 s。本文的分析元素在分析过程中，读数时间选择3 s较为合适。

3.3 基体及共存元素干扰的消除

在本实验中，通过称取与试样含量基本一致的高纯钛粉用作分析底液，消除基体钛元素的干扰。共存元素的干扰通过优化分析谱线的方法来避免干扰。

4 方法验证

4.1 准确度试验

称取编号为19009475、19009537试样，按照上述溶解方法和试样条件进行处理，准确度试验如表3所示。

表3 准确度试验Table 3 Accuracy test (%)

4.2 精密度试验

称取编号为19009475样品，按照上述溶解方法和试样条件进行处理，在绘制好的工作曲线上对该试样测定15次，结果如表4所示。

表4 精密度试验Table 4 Reproducibility test (%)

4.3 检出限试验

用随同试样分析的试剂空白，测定15次，结果如表5所示。

表5 检出限试验Table 5 Detection limit test (%)

5 结 论

经过样品制备条件的选择、仪器条件试验、基体及共存元素干扰消除、准确度、精密度、检出限试验，证明了用本方法测定钛合金中Cr、Fe、Si元素含量的可靠性，大大缩短了分析时间，提高了分析效率。