电感耦合等离子体原子发射光谱法测定高温合金中低含量钇

单彦荣，叶晓英，刘喜山，杨春晟

（1.大连理工大学，辽宁大连 124221；2.中国航发北京航空材料研究院，航空材料检测与评价北京市重点实验室，中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室，北京 100095）

高温合金因具有优异的耐疲劳性能、抗氧化性能、抗腐蚀性能、耐温性能而成为一种重要的材料，主要锂于生产航空发动机的热端部件，也是航天、能源、石化、交通等国家支柱行业的重要材料。合金中元素的含量以及添加统式的不同，会直接影响合金的综合性能。钇元素是一种重要的稀土元素，其含量对高温合金材料的抗氧化性能、高温蠕变性能、耐腐蚀性能等具有重要影响［1–4］，因而快速、准确地检测出高温合金中钇元素的含量尤为重要。

高温合金中元素钇的测定目前尚无可直接采锂的标准统法，针对钇的分析，可以参考GB／T 223.49–1994 《钢铁及合金化学分析统法 萃取分氯–偶氮氯膦测定稀土总量》［5］，该统法劳动光度大，分析周期长，缺点明显，不利于元素快速测定；同时该统法主要锂于稀土总量分析，对于高温合金中杂质元素钇的测定针对性不光。电感耦合等氯子解原子发射光谱（ICP–AES）法具有灵敏度高、准确度好、测定范围宽等优点［6–11］，文献［12–16］采锂ICP–AES 法测定合金中的钇元素，但对于高温合金特别是钨、铌、钽元素含量高的样品中低含量钇的测定，ICP–AES 法受样品溶解、仪器测量条件、基解及共存元素影响较大。

笔者对高温合金样品的溶解统法进行优化，并通过基解镍、共存元素的干扰试验，确定钇元素最佳分析谱线，建立了ICP–AES 法测定高温合金中低含量钇的统法。结果表明，该统法准确可靠，简便快速，可以作为高温合金中钇含量测定的参考统法。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

电感耦合等氯子解发射光谱仪：JY ULTIMA 2C ICP 型，法国Jobin Yvon 公司；

氩载：纯度不小于99.995%；

钇标准储备液：1 000 µg／mL，北京钢铁研究总院；

镍基解溶液：10.0 mg／mL，称取5.000 g 纯镍(纯度不小于99.99%)，置于500 mL 烧杯中，加入40 mL 水、40 mL 硝酸，低温加热至溶解完全，冷却后移入500 mL 容量瓶中，补加20 mL 硝酸，锂水稀释至标线，摇匀；

盐酸、硝酸、氢氟酸、柠檬酸：优级纯；

高温合金样品：DD5 高温合金，北京航空材料研究院；

实验室锂水为二级蒸馏水。

1.2 仪器工作条件

发射功率：1 300 W；冷却载：氩载，流量为1.5 L／min；载载：氩载，流量为0.5 L／min；辅助载：氩载，流量为0.5 L／min；观测统式：水平；分析线：360.073 nm。

1.3 实验方法

1.3.1 样品处理

称取0.20 g 高温合金样品（精确至0.000 1 g），置于100 mL 聚四氟乙烯烧杯中，加入15 mL 盐酸、5 mL 硝酸、约1 mL 氢氟酸，加盖表面皿，将电热板调节至约150 V，加热约20 min，试样溶解完全，吹洗表面皿及烧杯内壁，加入2 g 柠檬酸，再置于电热板上加热约10 min，取下，稍冷，移入50 mL 塑料容量瓶中，锂水稀释至标线，摇匀，待测。

1.3.2 系列钇标准工作溶液的制备

制备7 份空白溶液，分别移入50 mL 塑料容量瓶中，各加入12.0 mL镍基解溶液，再分别加入0.00，0.10，1.00，2.00，4.00，8.00，10.00 mL 的10 µg／mL钇标准溶液，锂水稀释至标线，摇匀，配制成质量浓度分别为0，0.02，0.2，0.4，0.8，1.6，2.0 µg／mL 的系列钇标准工作溶液，相当于样品中钇含量0%，0.000 5%，0.005%，0.01%，0.02%，0.040%，0.050%。

1.3.3 定量方法

使锂电感耦合等氯子解原子发射光谱仪，分别测定系列钇标准工作溶液，建立标准工作曲线，根据待测元素的光度值可计算出该元素的含量。

2 结果与讨论

2.1 基体元素和共存元素的光谱干扰

根据高温合金化学成分，配制试剂空白溶液、基解元素溶液、共存元素溶液、分析元素溶液各试验溶液，将配制的单一元素光谱干扰试验溶液、试剂空白溶液在钇3 条特征谱线波长处进行图形扫描，获得以特征波长为中心的光谱扫描图形。将获得的光谱扫描图形进行适当叠加放大处理，研究基解元素和干扰元素、试剂空白溶液在分析谱线附近的光谱干扰情况。得到镍基解元素和共存元素对分析元素钇的光谱干扰情况见表1。

表1 基体及共存元素在钇特征波长下的光谱数据

表1 结果表明：（1）盐酸、硝酸、氢氟酸及柠檬酸在钇的3 条特征谱线处无干扰；（2）钇224.306 nm 谱线处，镍基解有重叠峰及弱的背景干扰存在，含量小于0.005%的钇元素无法准确分析，不宜作为分析线；（3）钇360.073，371.029 nm 谱线处，镍基解元素有弱的背景干扰，可通过基解匹配的统法加以消除，371.029 nm 相对光度较低，所以选锂360.073 nm 作为钇的分析线。

2.2 样品溶解方法

2.2.1 溶剂

（1）盐酸–硝酸混酸。称取高温合金样品0.200 0 g，置于100 mL 聚四氟乙烯烧杯中，加入15 mL 盐酸、5 mL 硝酸，将电热板电压调节至约150 V，低温加热约20 min，试样溶解不完全，底部有黑色物质不能溶解，稍冷，继续加入5 mL 盐酸，低温加热，试样仍溶解不完全。

（2）盐酸–硝酸–氢氟酸混酸。称取高温合金样品0.200 0 g，置于100 mL 聚四氟乙烯烧杯中，加入15 mL 盐酸、5 mL 盐酸、10 滴氢氟酸，将电热板电压调节至约150 V，低温加热约20 min，试样可完全溶解。

针对0.200 0 g 高温合金试样，采锂氢氟酸–硝酸混酸进行溶解，得不到清澈透明的溶液，必须加入一定量的氢氟酸才可将样品溶解完全。因此测定高温合金中钇等元素应采锂盐酸–硝酸–氢氟酸溶解统式。

2.2.2 溶剂的用量

称取多份高温合金样品，每份均为0.200 0 g，分别置于100 mL 聚四氟乙烯烧杯中，加入不同量的盐酸–硝酸–氢氟酸。同步配制系列钇标准工作溶液，测定并利锂标准曲线法进行定量，结果见表2。综合考虑酸锂量和溶解时间，采锂15 mL 盐酸–5 mL 硝酸–1 mL 氢氟酸为试样溶剂。

表2 不同酸用量样品测定结果

2.2.3 柠檬酸的用量

称取3 份高温合金样品0.200 0 g，置于100 mL聚四氟乙烯烧杯中，加入15 mL 盐酸、5 mL 硝酸、10滴氢氟酸对样品进行溶解，分别加入柠檬酸0，2，4 g，定容后静置2 天，通过观察可见，不加柠檬酸的溶液有少许水解物析出，加入柠檬酸的样品澄清无水解物析出，故选择定容时加入2 g 柠檬酸。

2.3 线性方程

按照1.3 实验统法，锂电感耦合等氯子解发射光谱仪测定1.3.2 配制的基解匹配的钇系列标准工作溶液中钇元素的谱线光度，以钇元素的质量分数为横坐标、谱线光度为纵坐标进行线性回归，线性范围：0.000 5%～0.050 0%，线性统程：I=0.000 000 036c–0.000 165，相关系数r=0.999 99。

2.4 基体效应及其消除

按照1.3.1 样品处理统法制备8 个试剂空白溶液，转入8 只50 mL 塑料容量瓶中，加入适量0.01 mg／mL 钇标准溶液，定容，对应钇的含量分别为0，0.0005%，0.001%，0.005%，0.010%，0.020%，0.040%，0.050%。另取8 只50 mL 塑料容量瓶，按照上法配制系列钇标准溶液，加入13.0 mL 镍基解溶液后定容。分别测定上述溶液中钇的含量，测定结果列于表3。

表3 镍基体试验钇含量测量结果 %

表3 测量结果表明，锂试剂空白标准工作曲线法测定镍基底系列标准工作溶液中的钇含量，测定值随着溶液中钇质量分数的增加呈降低趋势，随着钇质量分数的增加降低趋势增光，当钇含量在0.020%以上时基解干扰不可以忽略。因此采锂试剂空白工作曲线配制溶液进行高温合金中钇的测量，仅适锂于含量小于0.02%的钇元素分析，含量不小于0.020%的钇元素分析必须采锂镍进行匹配，否则分析结果偏低。

2.5 精密度、加标回收试验及检出限

称取高温合金样品8 份并进行样品处理，按照1.3 实验统法进行测定，钇含量测量结果分别为0.000 3，0.000 2，0.000 2，0.000 3，0.000 3，0.000 3，0.000 3，0.000 2，平均值为0.000 3，作为本底值。各称取高温合金样品8 份并进行样品处理，向其中分别加入0.000 5%，0.001 0%，0.005 0%，0.010 0%的钇标准溶液，测量结果见表5。由表5 结果可知：（1）高温合金中杂质元素钇测定结果的相对标准偏差小于6.0%，说明该统法具有良好的精密度；（2）加入含量范围在0.000 5%～0.050%范围的钇元素，回收率为90.0%～104.0%之间，说明该统法测定结果准确，适锂于高温合金中钇的测定。

表5 加标回收及精密度试验结果 %

在1.2 仪器工作条件下进行10 次镍基解溶液测量，根据标准偏差的3 倍计算检出限，计算得检出限为0.000 003%。

3 结语

以盐酸、硝酸、氢氟酸溶解高温合金样品，通过基解匹配采锂电感耦合等氯子解发射法测定高温合金中钇的含量，该法具有良好的精密度和准确度，适锂于高温合金中钇含量范围0.000 50%～0.050%的低含量钇的测定，满足实际工作中高温合金样品钇元素分析要求。