鎳基高溫合金主要由鉻、鎢、鉬、鈷、鋁、鈦、硼、鋯等多種金屬及多元合金在高頻感應(yīng)爐中熔融冶煉而成,因其優(yōu)異的抗蠕變、抗疲勞以及抗氧化腐蝕等性能,廣泛用于航空發(fā)動機葉片、核反應(yīng)堆和能源轉(zhuǎn)換等設(shè)備上[1]。但鉛、鉍、硒、錫等有害痕量雜質(zhì)元素[2]在高溫化學(xué)反應(yīng)中,會形成夾雜物核心,成為疲勞裂紋源,影響鎳基高溫合金性能[3],因此對鎳基高溫合金中痕量雜質(zhì)元素有嚴(yán)格的控制要求。 

關(guān)于鎳基高溫合金中痕量雜質(zhì)元素的分析方法較多[4],如石墨爐原子吸收光譜法[5-6]、火焰原子吸收光譜法（FAAS）[7]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）[8]、氫化物發(fā)生原子熒光光譜法（HG-AFS）[9]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）[10-11]、輝光放電質(zhì)譜法（GDMS）[12]等。FAAS主要用于堿金屬和堿土金屬微量元素分析,操作簡單、分析快速、信號穩(wěn)定；ICP-AES可同時分析多元素,且靈敏度高、線性動態(tài)范圍寬,但測定超低含量水平的鉛、鉍和硒元素的效果不好；HG-AFS通過硼氫化物與待測元素發(fā)生反應(yīng)生成氣態(tài)共價氫化物,再由原子熒光光譜法測定,檢出限低、重現(xiàn)性好,但能發(fā)生氫化反應(yīng)的元素較少,且容易受過渡元素及易氫化元素的干擾；ICP-MS成本高,容易受復(fù)雜基體干擾；GDMS具有超低檢出限和超快的檢測通量,廣泛用于超純金屬和半導(dǎo)體行業(yè),但受限于樣品的尺寸。石墨爐原子吸收光譜法因其操作簡單、靈敏度高、檢出限低、選擇性好,是分析無機痕量元素的重要方法之一[13-15]。因此,本工作以鹽酸、硝酸和氫氟酸溶解樣品,采用石墨爐原子吸收光譜法測定鎳基高溫合金中鉛、鉍、硒元素的含量,測定鉛、鉍、硒元素時的基體改進劑依次為磷酸二氫銨、硫脲、硝酸鈀-硝酸鎂[Pd（NO3）2-Mg（NO3）2][16-17],通過交流縱向塞曼背景校正干擾,基質(zhì)匹配法消除主成分元素干擾。該方法簡化了測定步驟,且準(zhǔn)確度和精密度符合測定要求。 

1.   試驗部分

1.1   儀器與試劑

PinAAcle 900Z型石墨爐原子吸收光譜儀,配鉛空心陰極燈、鉍無極放電燈、硒無極放電燈；SQP型電子天平（感量0.1 mg）；HH-4型電熱恒溫水浴鍋；Milli-Q型超純水機。 

鉛元素標(biāo)準(zhǔn)溶液：1 000 mg·L-1,GSB G62071-90（8201）。使用時,用水稀釋至所需的質(zhì)量濃度。 

鉍元素標(biāo)準(zhǔn)溶液：1 000 mg·L-1,GSB G62072-90（8301）。使用時,用水稀釋至所需的質(zhì)量濃度。 

硒元素標(biāo)準(zhǔn)溶液：1 000 mg·L-1,GSB G62029-90（3401）。使用時,用水稀釋至所需的質(zhì)量濃度。 

Pd（NO3）2-Mg（NO3）2溶液：取2 000 μg·L-1Pd（NO3）2溶液1.00 mL和1 000 μg·L-1Mg（NO3）2溶液1.00 mL,混合。 

磷酸二氫銨溶液：250 g·L-1。 

硫脲溶液：250 g·L-1。 

混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液：取適量的鉛、鉍、硒元素標(biāo)準(zhǔn)溶液,用水稀釋并定容,配制成鉛、硒元素的質(zhì)量濃度為80 μg·L-1,鉍元素的質(zhì)量濃度為20 μg·L-1的混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液,現(xiàn)用現(xiàn)配。 

鎳基高溫合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW01641、GBW01622、GBW01640。 

硝酸鈀、硝酸鎂、磷酸二氫銨、硫脲均為優(yōu)級純；硝酸、氫氟酸、鹽酸均為電子純；氬氣純度大于99.999%；丙酮為色譜純；試驗用水為超純水。 

1.2   儀器工作條件

積分時間5 s；基線調(diào)零時間2 s；進樣量16 µL；干燥溫度130 ℃；交流縱向塞曼背景校正；分析次數(shù)2次。其他工作參數(shù)見表1。 

1.3   試驗方法

稱取0.10 g（精確到0.000 1 g）鎳基高溫合金樣品置于100 mL聚四氟乙烯燒杯中,加入2.0 mL鹽酸、1.0 mL硝酸、0.5 mL氫氟酸,蓋上塑料表面皿,于90 ℃水浴加熱約60 min至樣品完全溶解。取出,冷卻,溶液轉(zhuǎn)移到100 mL塑料容量瓶中,加入10 mL硝酸,用水稀釋并定容,混勻。同法配制試劑空白溶液。 

測定鉛元素時,采用自動進樣器加入3 µL磷酸二氫銨溶液作為基體改進劑；測定鉍元素時,采用自動進樣器加入5 µL硫脲溶液作為基體改進劑；測定硒元素時,采用自動進樣器加入8 µL Pd（NO3）2-Mg（NO3）2溶液作為基體改進劑,同時吸取水作為稀釋劑,滴加到石墨管平臺加熱。 

2.   結(jié)果與討論

2.1   酸介質(zhì)的選擇

試驗以加標(biāo)樣品K417、DZ411、IC21（鉛、鉍、硒元素的加標(biāo)量依次為10,10,20 μg·L-1）為研究對象,在樣品溶液轉(zhuǎn)移到100 mL塑料容量瓶中后,分別加入10 mL酸介質(zhì),考察了不同酸介質(zhì)（鹽酸、硝酸）對3種元素吸光度的影響,結(jié)果見表2。 

由表2可知,在鹽酸介質(zhì)中的鉛元素和硒元素的吸光度均明顯小于在硝酸介質(zhì)中的,而鉍元素的吸光度無明顯差異。因此,試驗選擇的酸介質(zhì)為硝酸。 

2.2   升溫程序的選擇

2.2.1   干燥溫度

干燥階段的目的是蒸發(fā)掉樣品中的溶劑或含水組分,其結(jié)果會直接影響分析結(jié)果的重現(xiàn)性,該階段是低溫加熱過程,一般而言,干燥溫度應(yīng)稍高于溶劑的沸點,且干燥時間與干燥溫度相配合,并根據(jù)進樣體積進行調(diào)整。試驗以加標(biāo)樣品K417、DZ411、IC21（鉛、鉍、硒元素的加標(biāo)量依次為10,10,20 μg·L-1）為研究對象,考察了不同干燥溫度（100,130,150 ℃）對3種元素吸光度的影響,結(jié)果見表3。 

由表3可知,當(dāng)干燥溫度變化時,3種元素的吸光度基本沒有變化。考慮到干燥溫度為100 ℃時,耗時較長,而在150 ℃時,部分元素會氫化而揮發(fā),試驗選擇的干燥溫度為130 ℃。 

2.2.2   灰化溫度

試驗以加標(biāo)樣品K417、DZ411、IC21（鉛、鉍、硒元素的加標(biāo)量依次為10,10,20 μg·L-1）為研究對象,考察了不同灰化溫度（700,1 000,1 200 ℃）對3種元素吸光度的影響,結(jié)果見表4。 

由表4可知：當(dāng)灰化溫度為700 ℃時,鉍元素的吸光度最大；當(dāng)灰化溫度為1 000 ℃時,鉛元素的吸光度最大；當(dāng)灰化溫度為1 200 ℃時,硒元素的吸光度最大。因此,試驗選擇鉛、鉍、硒元素的灰化溫度依次是1 000,700,1 200 ℃。 

2.2.3   原子化溫度

試驗以加標(biāo)樣品K417、DZ411、IC21（鉛、鉍、硒元素的加標(biāo)量依次為10,10,20 μg·L-1）為研究對象,考察了不同原子化溫度（1 500,1 750,2 000 ℃）對3種元素吸光度的影響,結(jié)果見表5。 

由表5可知：當(dāng)原子化溫度為1 500 ℃時,鉍元素的吸光度最大；當(dāng)原子化溫度為1 750 ℃時,鉛元素的吸光度最大；當(dāng)原子化溫度為2 000 ℃時,硒元素的吸光度最大。因此,試驗選擇鉛、鉍、硒元素的原子化溫度依次是1 750,1 500,2 000 ℃。 

2.3   干擾試驗

2.3.1   主成分元素的干擾

根據(jù)GB/T 14992—2005《高溫合金和金屬間化合物高溫材料的分類和牌號》中K417、DZ411、IC21等3種高溫合金樣品的主成分元素含量,選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%以上的元素進行干擾試驗,其中同一元素選取在上述3種樣品中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的含量進行考察。試驗在混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入鎳、鉻、鈷、鋁、鈦、鉬、鉭和錸等主成分元素,考察了主成分元素對3種元素吸光度的影響,結(jié)果見表6。 

由表6可知：當(dāng)鎳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為77%時,對鉛、鉍和硒元素均存在增強干擾；當(dāng)鈷元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%時,對鉛元素存在抑制干擾；當(dāng)鋁元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時,對硒元素存在增強干擾；當(dāng)鎢元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時,對鉛、硒元素存在抑制干擾；當(dāng)鉭元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時,對鉛、鉍和硒元素均存在抑制干擾；其他主成分元素對鉛、鉍和硒元素均不存在干擾。由于K417、DZ411、IC21等3種高溫合金樣品含有不同主成分元素且含量差異較大,上述不同主成分元素對鉛、鉍和硒元素的增強或抑制干擾程度不盡相同,因此試驗采用基質(zhì)匹配法建立工作曲線以消除主成分元素干擾。 

2.3.2   背景干擾及校正

當(dāng)鉛、鉍、硒元素原子化時,由于樣品中存在大量主合金元素,會產(chǎn)生很大的背景吸收。試驗以高溫合金樣品K417、DZ411、IC21為研究對象,考察了交流縱向塞曼背景校正對3種元素吸光度的影響。結(jié)果表明,采用石墨爐原子吸收光譜法測定鉛、鉍、硒元素時,存在顯著的背景干擾,采用交流縱向塞曼背景校正后,3種元素的吸光度有不同程度的下降。因此,采用石墨爐原子吸收光譜法測定鉛、鉍、硒元素時,需進行背景校正消除干擾。同時,采用空心陰極燈和無極放電等作為銳線光源,可有效消除合金成分發(fā)射光譜造成的譜線干擾。 

2.4   基體改進劑的選擇

在石墨爐原子吸收光譜法中,為了增加樣品溶液的揮發(fā)性,或者提高易揮發(fā)元素的穩(wěn)定性,會在樣品溶液中加入基體改進劑,進而提高灰化溫度以減小基體干擾,提高靈敏度、降低檢出限。試驗以加標(biāo)樣品K417、DZ411、IC21（鉛、鉍、硒元素的加標(biāo)量依次為10,10,20 μg·L-1）為研究對象,考察了不同基體改進劑[Pd（NO3）2-Mg（NO3）2、磷酸二氫銨、硫脲基體改進劑[16-17]]對3種元素吸光度的影響。結(jié)果表明,在測定過程中以磷酸二氫銨溶液作為鉛元素的基體改進劑,以硫脲溶液作為鉍元素的基體改進劑,以Pd（NO3）2-Mg（NO3）2溶液作為硒元素的基體改進劑時,體系的凈吸光度最高。 

2.5   工作曲線和檢出限

采用自動進樣器按設(shè)定的程序吸取適量的樣品溶液、混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液、基體改進劑和水,在線制備鉛、硒元素的質(zhì)量濃度為0.2,0.4,4.0,12,20,40 μg·L-1,鉍元素的質(zhì)量濃度為0.05,0.1,1.0,3.0,5.0,10 μg·L-1的基質(zhì)匹配的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。按照儀器工作條件測定基質(zhì)匹配的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,根據(jù)實際測定過程選取合適的線性范圍,以各元素的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),其對應(yīng)的吸光度為縱坐標(biāo)繪制工作曲線。結(jié)果顯示,各元素的質(zhì)量濃度在一定范圍內(nèi)與對應(yīng)的吸光度呈線性關(guān)系,線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)見表7。 

對空白加標(biāo)樣品連續(xù)測定11次,計算標(biāo)準(zhǔn)偏差s,以3s與工作曲線斜率k的比值計算各元素的檢出限（3s/k）,結(jié)果見表7。 

2.6   準(zhǔn)確度和精密度試驗

按照試驗方法分別測定鎳基高溫合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW01641、GBW01622、GBW01640中鉛、鉍、硒元素的含量,每個樣品平行制備6份,計算測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）,結(jié)果見表8。 

結(jié)果表明,鉍、硒元素的測定值在認(rèn)定值的不確定度范圍內(nèi),而鉛元素的測定值略高于認(rèn)定值,后續(xù)需要進一步研究,測定值的RSD不大于25%。 

2.7   樣品分析

按照試驗方法對3種實際鎳基高溫合金樣品進行測定,每個樣品平行制備6份,計算測定值的RSD,并采用GDMS[12]進行測定,結(jié)果見表9。通常認(rèn)為質(zhì)量濃度范圍在10-6內(nèi),不同方法間測定結(jié)果的差值小于50%時,表明測定結(jié)果一致。 

結(jié)果表明,采用本方法的測定值與GDMS的基本一致,RSD均小于25%。本工作以鹽酸、硝酸和氫氟酸溶解樣品,采用石墨爐原子吸收光譜法測定鎳基高溫合金中鉛、鉍、硒元素的含量。該方法使用了不同的基體改進劑,準(zhǔn)確度高、成本低,可為測定鎳基高溫合金中鉛、鉍和硒元素的含量提供方法參考。

文章來源——材料與測試網(wǎng)