铝青铜合金样品的X射线荧光光谱分析

侯丽华 刘海东

(中航工业沈阳飞机工业集团有限公司，沈阳 110850)

X射线荧光光谱分析的基础是莫赛莱定律，即特征谱线波长倒数的平方根和原子序数成正比。根据物质所辐射的特征谱线的波长λ，可以知道原子序数为Z的元素存在，即可对物质进行定性；根据元素特征谱线强度大小可进一步对物质中存在元素的含量进行定量分析。

笔者讨论了电流、电压对元素荧光强度的影响，采用符合国家标准的光谱标准物质建立工作曲线，用基本参数法对基体效应进行校正。校正后X射线荧光光谱分析铝青铜合金中8种元素，分析结果准确、可靠，可应用于日常批量样品的快速分析。

1 实验部分

1.1 仪器工作参数及测量条件

日本岛津公司XRF-1800型X射线荧光光谱仪，最大输出功率：4 kW，铑靶X光管，光闸直径：10 mm，单元素分析时间：10 s，温度：(35±0.5)℃，真空气氛：不大于15 Pa，氩甲烷气流：113.0 kPa，内循环水电导：0.07 μS。各元素测量条件见表1。

表1 各元素测量条件

1.2 标准样品和样品制备

标准样品采用沈阳有色金属加工厂研制的编号为GBW02121～GBW02126的6块铝青铜系列铜合金标准物质作为光谱标准，各元素含量范围见表2。

表2 标准样品各元素含量范围

金属样品表面用60号氧化锆砂带打磨后用无水乙醇擦洗打磨面。

2 结果与讨论

2.1 电流电压对荧光强度的影响

根据量子理论，一次碰撞就被靶制止的电子将辐射出具有最大能量的X射线光子，其波长最短，连续X射线激发合金中某合金元素线系所需的最低能量为激发电势V0，按式(1)计算：

(1)

式中：V0——激发电势，kV；

h——普朗克常数,J·s；

c——真空中光速，3.0×108m/s；

λabs——吸收限波长，也被称为短波限，nm；

e——基本电荷，C。

根据各合金元素的K系吸收限波长计算激发电势，结果见表3。

表3 合金元素激发电势

X射线荧光强度I和X射线管电压V(kV)、管电流i(mA)的关系为：I=(V-V0)ni，n为和X射线管有关的常数，当V是V0的2～3倍时，n为2左右，V大于V0的3倍时，n接近1。对于额定功率W的射线管，所允许设定的电压V和电流i必须满足以下条件，即Vi≤W[1]。

根据合金元素激发电势，做电压调整，设定电流为60 mA，采集X射线荧光强度，结果见表4。

表4 电压对元素X射线荧光强度的影响

设定电压为40 kV，根据额定功率调整电流，采集X射线强度，结果见表5。

表5 电流对元素X射线荧光强度的影响

从表4、表5试验结果可以看出：各元素X射线荧光强度均随着电压或电流的提高而增强。对于原子序数较低的Al和Si元素，高电流的激发效率较高；对于原子序数较高的Sn元素，高电压激发效率较高。

根据被分析的元素，电压选用高于各元素中最高激发电势，电流和电压的乘积小于X射线管的最大功率。保证测量过程中管电压和管电流不产生波动，增加方法稳定性，保持X射线管稳定功率工作，延长X射线管的使用寿命。因此各合金元素统一采用电压为40 kV，电流为95 mA。

2.2 基体效应校正

通过比较基体元素与分析元素的质量吸收系数(cm2/g)和特征谱线吸收限波长确定基体吸收与增强效应的关系,各元素受到的基体效应见表6。

表6 铜合金中各合金元素受到的基体效应

注：Cu吸收限波长为0.138 0 nm。

基体效应采用基本参数法进行校正，基本参数法所用校准曲线方程为：

EI=fTI+G

(2)

式中：EI——估算的纯元素强度(Kcps)；

TI——计算的理论强度(Kcps)；

f、G——灵敏度系数。

建立工作曲线采用套标多点基本参数法来提高准确性。

2.3 谱线干扰

元素谱线干扰主要由波长相差很小的谱线重叠造成，谱线重叠分为同一线系的一级线重叠和不同线系的一级线重叠。查待分析元素的波长-晶体-2θ角表，铜合金中各元素可能受到的干扰见表7。在铝青铜合金中SiKα受SnLα的干扰，Sn含量较高时要注意背景变化

表7 铜合金中各元素可能受到的干扰谱线

2.4 精密度试验

采用基本参数法进行分析，将待测的样品重复测量10次，对10次测量结果进行统计，结果见表8。由表8可见，实验方法具有良好的精密度。

表8 方法的精密度(n=10) %

2.5 准确度试验

采用基本参数法校正的曲线分析洛阳铜加工厂生产的编号BYG19-2的铝青铜合金130#～134#标准样品，分析结果见表9。由表9可知，本方法与经化学法测定的标准值结果相吻合。

表9 标准样品分析结果对比 %

3 结语

采用基本参数法校正基体效应，X射线荧光光谱分析Al-Mn-Fe系列铜合金，方法简便快速，精密度、准确度高，满足日常分析检测的要求，适合大批量铜合金的快速检验。

[1] 梁珏. X射线荧光光谱分析基础[M].北京：科学技术出版社.2007:13-24.