CN104034719A - 一种镍基高温合金中铪元素含量的icp-aes测量法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金中铪元素含量的ICP-AES测量法，包括制备试样溶液、制备低标溶液、制备高标溶液、对低标、高标、试样溶液分别进行测量和计算铪元素的质量分数。本发明测定结果准确，测量方法简便易行，可快速测定镍基高温合金中铪元素的含量，并且测定范围可达到0.05%～2.00%，解决了高温合金材料中铪元素无标准方法进行测定的问题，操作方便，提高了测试的工作效率。本发明为高温合金材料中铪元素含量的测定提供了比较科学规范的测定方法。

Description

一种镍基高温合金中铪元素含量的ICP-AES测量法

技术领域

本发明涉及一种镍基高温合金中铪元素含量的ICP-AES测量法，尤其涉及一种用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测镍基高温合金中铪元素含量的方法，属于分析化学领域光谱分析技术领域。

背景技术

镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50%)在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。铪元素可改善合金中材料塑性和强度。现代镍基合金的化学成分十分复杂，合金的饱和度很高，因此要求对每个合金元素(尤其是主要强化元素)的含量严加控制，否则会在使用过程中容易析出有害相，如σ相，损害合金的强度和韧性。因此，测定镍基高温合金中的铪元素含量是具有重要意义的。目前在国家标准、行业标准等相关标准中尚未发现有采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES法)来测定航空材料镍基高温合金中微量铪的方法，查阅相关资料，在GJB5404-2005中提及采用电感耦合等离子体-质谱法来测定高温合金中痕量铪的方法，测定范围在0.00005%～0.01%，并且对镍基高温合金中铪进行测定并没有明确标准方法。现有技术中对铪元素的含量测定方法较为复杂，效率较低。如CN102706871A公开的一种萃取光度法精密测定锆铪混合物中锆铪分量的方法，是在大量锆存在下，运用甲基异丁酮-硫氰酸（MIBK-HSCN）体系溶剂萃取分离锆和铪，再结合偶氮胂Ⅲ分光光度法精密测定锆铪分量，该方法的测定过程较为复杂，不能实现对合金样品的待测样品制备，对结果的影响因素较多，不适于镍基高温合金中铪元素含量的检测。

本发明人以现有技术为基础，结合实际生产工艺，经过不断的实验研究和改进，终于探索出了一种能够快速并准确测定镍基高温合金 中铪含量的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镍基高温合金中铪元素含量的ICP-AES测量法，解决了现有技术中测定镍基高温合金中铪含量的测定范围较小、效率低的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

一种镍基高温合金中铪元素含量的ICP-AES测量法，具体步骤如下：

（1）制备试样溶液：

称取0.1000g镍基高温合金细小屑状试样置于150mL锥形瓶中，加入20mL盐酸，在电炉上低温加热，待反应开始时加3mL硝酸，溶解完全后，加10mL硫磷混酸，继续加热至冒烟，滴加硝酸破坏碳化物，冷却后加入20mL20%柠檬酸，煮沸至溶液透明，冷却后转入到100mL容量瓶中用水稀释至刻度，摇匀；

所述硫磷混酸为硫酸、磷酸和水的混合液，其中，硫酸、磷酸和水的体积比为1：1：2；

（2）制备低标溶液：

随同试液制备进行试剂空白试验，作为低标溶液；

（3）制备高标溶液：

于150mL锥形瓶中，分别加入与待测材料组分含量相当的镍、铬、钴、钼、钨、铝、钛、铌标准溶液，然后加入铪标准溶液，使溶液混匀，然后在电炉上低温加热并蒸发至体积约2mL，加入20mL盐酸在电炉上低温加热，待反应开始时加3mL硝酸，然后参照步骤（1）进行高标溶液的制备；

（4）对低标、高标、试样溶液分别进行测量：

在等离子体发射光谱仪上，根据谱线强度与元素含量的关系，对低标、高标、试验溶液进行测量；

（5）计算铪元素的质量分数:

根据高标溶液中待测铪元素含量的已知标准值，经过仪器标准化， 测得试样溶液中铪元素的质量浓度，再按照下列公式计算出铪元素的质量分数W，数值以%表示。

W=[（ρ_Hf·V·10^-6）/m]×100

式中：

ρ_Hf表示试样溶液中铪元素的质量浓度，单位为微克每毫升（μg/mL）；

V表示试液总体积，单位为毫升（mL）；

m表示试样的质量，单位为克（g）。

本发明所述步骤（4）中的等离子体发射光谱仪的工作条件为：

高频频率：27.12MHz；

RF发生器：1150W；

氩气流量：冷却气15L/min，辅助气0.5L/min，载气0.5L/min；

雾化压力：28.0psi；

进样速度：1.85mL/min；

积分时间：High波8s，Low波10s。

铪分析线：339.98nm

本发明所述步骤（1）、（2）、（3）中所用的盐酸为优级纯。

本发明所述步骤（1）、（2）、（3）中所用的硝酸为优级纯。

优级纯（GuaranteedreagentGR）是化学试剂的纯度规格，属于一级品，标签为深绿色，用于精密分析试验。优级纯的纯度高，杂质少，适用于精确分析和研究工作，部分还可作为基准物质。

铪不与稀盐酸、稀硫酸和强碱溶液作用，但可溶于氢氟酸和王水。铪在自然界中常与锆伴生，这也为铪元素的准确测定带来了一定影响。铪元素与锆元素属于共生元素，化学性质十分相似，用化学法难以彻底分离。采用本发明，可以在不对铪和锆分离的情况下，克服基体干扰，并准确而快速测得铪元素含量。本法明借助电感耦合等离子体原 子发射光谱法（ICP-AES），优化了试样溶液、高标溶液的制备方法，并设定好适宜的设备参数，采用标液与待测样品组成相匹配的方法，通过测定溶液中铪元素的质量浓度来计算出铪元素含量，测定范围宽于现有技术中对铪元素的测定范围，且测定结果准确，效率明显提高。

电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）适于镍基高温合金材料中元素的测定，可一次性测定全部待测元素，具有污染少、流程短、环保的优点。通常，对合金样品液的制备，是称样约0.1g（精确至0.0001g），一般用硝酸-盐酸体系溶解，溶解后定容至100mL，使主体元素含量在1000mg/L左右，最终溶解的酸度约为7%。在合金样品液制备的过程中，须设计一个合理、环节少、易于掌握、适于处理大量样品的化学处理方法，以保证样品中的被测元素完全溶解；同时为了避免基体干扰，须将被测元素进行分离富集后再分析，并不能有损失，以提高测定的准确度。此外，ICP-AES还需考虑分析试液中的总固体溶解量（TDS），过高的TDS将造成基体效应干扰、谱线和背景干扰以及雾化系统和ICP炬管的堵塞。本发明创造性的使用硫磷混酸，在加入硝酸溶解完全后加硫磷混酸，再继续加热至冒烟，再加入硝酸破坏碳化物，接着冷却后加浓度适宜的柠檬酸，煮沸至溶液透明，冷却后进行定容，可保证镍基高温合金样品中的铪元素溶解完全，充分富集，无损失；保证分析试液中的总固体溶解量适度，在不分离组分的情况下也可提高测定的准确度。

本发明的有益效果：测定结果准确，测量方法简便易行，可快速测定镍基高温合金中铪元素的含量，并且测定范围可达到0.05%～2.00%，解决了高温合金材料中铪元素无标准方法进行测定的问题，操作方便，提高了测试的工作效率。本发明为高温合金材料中铪元素含量的测定提供了比较科学规范的测定方法。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但不构成对本发明保护范围的限定。

下面以粉末高温合金（FGH4097）为例，详述铪元素含量的测定法 方法。

（1）制备试样溶液：

称取0.1000gFGH4097试样置于150mL锥形瓶中，加20mL盐酸（优级纯）在电炉上低温加热，待反应开始时加3mL硝酸（优级纯），溶解完全后加10mL硫磷混酸（体积比为：1份硫酸+1份磷酸+2份水），继续加热至冒烟，滴加硝酸破坏碳化物，冷却后加入20mL20%柠檬酸，煮沸至溶液透明，冷却后转入到100mL容量瓶中用水稀释至刻度，摇匀。

（2）制备低标溶液：

随同试液制备试剂空白，作为低标溶液；

（3）制备高标溶液：

于150mL锥形瓶中，分别加入与待测材料组分含量相当的镍、铬、钴、钼、钨、铝、钛、铌标准溶液，然后加入铪标准溶液（加入量比待测材料中铪含量稍高），使溶液混匀，然后在电炉上低温加热并蒸发至体积约2mL，加入20mL盐酸（优级纯）在电炉上低温加热，待反应开始时加3mL硝酸（优级纯），余下步骤按照步骤（1）进行。

（4）对低标、高标、试样溶液分别进行测量：

在ICP-AES实验装置上，按所选的仪器工作条件，根据谱线强度与元素含量的关系，对低标、高标、试验溶液进行测量；根据高标溶液中待测铪元素含量的已知标准值，经过仪器标准化，测得试验溶液中铪元素浓度（μg/mL），以此换算出铪的质量分数W（%）。

ICP-AES实验装置采用IRISIntrepid型电感耦合等离子体发射光谱仪（美国热电公司生产），测量时设定的工作参数如下：

高频频率：27.12MHz。

RF发生器：1150W。

氩气流量：冷却气15L/min，辅助气0.5L/min，载气0.5L/min。

雾化压力：28.0psi。

进样速度：1.85mL/min。

积分时间：High波8s，Low波10s。

铪分析线：339.98nm

仪器操作方法：依次打开电源、稳压器开关，预热五分钟后，打开仪器开关，打开氩气钢瓶调节分压表压力。打开显示器、计算机和打印机。开启桌面上的软件图标，进入软件程序“TEVA”操作平台，此时仪器处于待机状态，预热4h，软件显示仪器状态。在计算机上编制与样品相适应的分析方法，包括分析元素、分析线波长、观察方式、左右背景扣除、预热时间、曝光时间、低标和高标浓度值及干扰参数等。最后保存编辑方法。打开抽风，将进样管放入溶液中，夹紧泵管夹，设置好参数后点火，等离子体点燃后调节泵管夹使废液流出。等离子体点燃30min后进行分析，对波长进行校正，使分析线的峰值更准确地正对出射狭缝。将混合标准系列溶液引入炬焰，对仪器进行标准化，从低到高，再引入样品溶液到炬焰中激发，分析检测待测元素的质量浓度并存储数据,打印试验结果。待所有分析工作完成后，用5%硝酸溶液冲洗10min，将吸管中的液体排尽，然后熄灭等离子体，松开泵管夹。关闭“TEVA”软件，关闭氩气、抽风。最后关闭显示器、计算机和打印机。

（5）计算铪元素的质量分数:

根据高标溶液中待测铪元素含量的已知标准值，经过仪器标准化，测得试样溶液中铪元素的质量浓度，再按照下列公式计算出铪元素的质量分数W，数值以%表示。

W=[（ρ_Hf·V·10^-6）/m]×100

式中：

ρ_Hf表示试样溶液中铪元素的质量浓度，单位为微克每毫升（μg/mL）；

V表示试液总体积，单位为毫升（mL）；

m表示试样的质量，单位为克（g）。

上述方法对粉末高温合金（FGH4097）中铪元素含量的测定范围可达到0.05%～0.40%。

用上述方法对镍基高温合金样品进行检测试验，结果见表1。

表1镍基高温合金检测试验铪元素含量表

由表1可以看出，本发明所述检测方法的检测结果相对误差小，检测方法的准确率高，具有较高的实用性。

Claims (4)

1.一种镍基高温合金中铪元素含量的ICP-AES测量法，其特征在于：具体步骤如下：

（1）制备试样溶液：

称取0.1000g镍基高温合金细小屑状试样置于150mL锥形瓶中，加入20mL盐酸，在电炉上低温加热，待反应开始时加3mL硝酸，溶解完全后，加10mL硫磷混酸，继续加热至冒烟，滴加硝酸破坏碳化物，冷却后加入20mL20%柠檬酸，煮沸至溶液透明，冷却后转入到100mL容量瓶中用水稀释至刻度，摇匀；

所述硫磷混酸为硫酸、磷酸和水的混合液，其中，硫酸、磷酸和水的体积比为1：1：2；

（2）制备低标溶液：

随同试液制备进行试剂空白试验，作为低标溶液；

（3）制备高标溶液：

于150mL锥形瓶中，分别加入与待测材料组分含量相当的镍、铬、钴、钼、钨、铝、钛、铌标准溶液，然后加入铪标准溶液，使溶液混匀，然后在电炉上低温加热并蒸发至体积约2mL，加入20mL盐酸在电炉上低温加热，待反应开始时加3mL硝酸，然后参照步骤（1）进行高标溶液的制备；

（4）对低标、高标、试样溶液分别进行测量：

在等离子体发射光谱仪上，根据谱线强度与元素含量的关系，对低标、高标、试验溶液进行测量；

（5）计算铪元素的质量分数:

根据高标溶液中待测铪元素含量的已知标准值，经过仪器标准化，测得试样溶液中铪元素的质量浓度，再按照下列公式计算出铪元素的质量分数W，数值以%表示。

W=[（ρ_Hf·V·10^-6）/m]×100

式中：

ρ_Hf表示试样溶液中铪元素的质量浓度，单位为微克每毫升（μg/mL）；

V表示试液总体积，单位为毫升（mL）；

m表示试样的质量，单位为克（g）。

2.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金中铪元素含量的ICP-AES测量法，其特征在于:所述

步骤（4）中的等离子体发射光谱仪的工作条件为：

高频频率：27.12MHz；

RF发生器：1150W；

氩气流量：冷却气15L/min，辅助气0.5L/min，载气0.5L/min；

雾化压力：28.0psi；

进样速度：1.85mL/min；

积分时间：High波8s，Low波10s；

铪分析线：339.98nm。

3.根据权利要求1所述的一种镍基高温合金中铪元素含量的ICP-AES测量法，其特征在于:所述步骤（1）、（2）、（3）中所用的盐酸为优级纯。

4.根据权利要求1～3任一所述的一种镍基高温合金中铪元素含量的ICP-AES测量法，其特征在于:所述步骤（1）、（2）、（3）中所用的硝酸为优级纯。