ICP-AES法測定Ti175高溫鈦合金中9種元素的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化與性能評價：分析譜線干擾規(guī)避、激發(fā)功率-霧化氣流量協(xié)同調(diào)控及雙匹配策略（基體+合金）對測定準確性的提升作用

高溫鈦合金具有高熱強性、耐腐蝕性、抗氧化性及良好塑性等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等高端領(lǐng)域 [1-4]。Ti175 合金是國內(nèi)新研制的 α+β 型高溫鈦合金，目前處于科研試制階段，其主要合金元素包括 Al、Mo、Zr、Sn、W，關(guān)鍵雜質(zhì)元素為 Si、Fe、Ni、Re。其中，β 穩(wěn)定元素 Mo、Zr、W 及 Si 可提升合金高溫蠕變性能，Re 直接影響材料強度與耐熱性 [5]，因此準確測定 Ti175 合金中這 9 種元素的含量，對推動該新型鈦合金牌號的研發(fā)與工程化應(yīng)用具有決定性作用。

ICP-AES 法因具有多元素同時測定、靈敏度高、分析速度快等優(yōu)勢，是金屬材料化學成分檢測的重要手段 [6-9]。現(xiàn)有標準 YS/T 1262-2018 [10] 雖可同時測定多種元素，但無法滿足 Ti175 高溫鈦合金中 9 種元素（尤其是低含量雜質(zhì)元素 Re、Ni）的同步準確測定需求。為此，本研究針對 ICP-AES 法測定 Ti175 合金中 Al、Mo、Zr、Sn、W、Si、Fe、Ni、Re 展開系統(tǒng)探究，優(yōu)化激發(fā)功率、霧化氣流量等關(guān)鍵儀器參數(shù)，考察分析譜線干擾規(guī)律，通過基體 - 合金雙匹配消除干擾，最終建立精準、可靠的分析方法，并通過精密度與加標回收實驗驗證方法有效性。

1、實驗部分

1.1 主要儀器

iCAP PRO XP 型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（賽默飛世爾科技有限公司）；

Milli-Q 型超純水機（美國 Millipore 公司）。

1.2 試劑與材料

HCl、HF、HNO?：分析純，洛陽昊華化學試劑有限公司；

純鈦（w (Ti)≥99.998%）：北京納克分析儀器有限公司；

Al、Mo、Zr、Sn、W、Si、Fe、Ni、Re 標準貯存溶液（1.00 mg?mL?1）：北京納克分析儀器有限公司，根據(jù)實驗需求稀釋使用；

實驗用水：二級水（符合 GB/T 6682-2008 要求）。

1.3 儀器工作條件

結(jié)合儀器說明書推薦參數(shù)與實驗優(yōu)化結(jié)果，確定最佳工作參數(shù)如表 1 所示，確保儀器處于最優(yōu)檢測狀態(tài)。

表 1 最佳工作參數(shù)

Tab.1 Optimum operating parameters

1.4 樣品溶液的制備

稱取 0.10g（精確至 0.0001g）Ti175 合金樣品，置于 250mL 聚四氟乙烯燒杯中，依次加入 10mL HCl（1:1，體積比）、2mL HF，常溫下攪拌溶解；待樣品完全溶解后，滴加 1mL HNO?氧化殘余雜質(zhì)，冷卻后轉(zhuǎn)移至 100mL 塑料容量瓶中，用二級水稀釋至刻度，搖勻待測。

1.5 標準溶液配制

1.5.1 合金元素工作曲線配制

稱取 6 份 0.08g 純鈦基體，分別置于 250mL 聚四氟乙烯燒杯中，按 1.4 節(jié)方法溶解處理后，轉(zhuǎn)移至 100mL 塑料容量瓶中；按表 2 所示濃度梯度加入 Al、Mo、Zr、Sn、W 標準溶液，用二級水稀釋至刻度，搖勻，得到合金元素標準系列溶液。

表 2 合金元素工作曲線中各元素濃度（%）

Tab.2 Contents of the elements in the calculation curve for alloy element determination (%)

1.5.2 雜質(zhì)元素工作曲線配制

稱取 6 份 0.08g 純鈦基體，分別置于 250mL 聚四氟乙烯燒杯中，按 1.4 節(jié)方法溶解處理后，轉(zhuǎn)移至 100mL 塑料容量瓶中；先加入與 Ti175 合金實際成分匹配的 Al（6.5%）、Sn（2%）、Zr（3.5%）、Mo（4.0%）、W（1.2%）合金元素標準溶液，再按表 3 所示濃度梯度加入 Si、Fe、Ni、Re 雜質(zhì)元素標準溶液，用二級水稀釋至刻度，搖勻，得到雜質(zhì)元素標準系列溶液。

表 3 雜質(zhì)元素工作曲線中各元素濃度（%）

Tab.3 Contents of the elements in the calculation curve for impurity element determination (%)

2、結(jié)果與討論

2.1 分析譜線選擇

根據(jù) Ti175 合金中各元素含量（合金元素高含量、雜質(zhì)元素低含量），配制基體溶液與單一元素標準溶液，通過光譜儀考察各元素譜線受鈦基體及共存元素的干擾情況。遵循 “靈敏度適中、干擾程度小、信噪比高” 原則，篩選分析譜線，結(jié)果如表 4 所示。

表 4 鈦合金中各元素波長干擾情況

Tab.4 Spectral line interference of the elements in titanium alloy

由表 4 可知，多數(shù)元素譜線受鈦基體或共存元素干擾（如 Al 396.153nm 受 Mo 干擾、Ni 221.648nm 受 Zr 干擾）。通過調(diào)整譜線積分區(qū)域、背景點位置，并結(jié)合基體 - 合金匹配，最終確定各元素最佳分析譜線如表 5 所示，可有效消除干擾。

表 5 各元素最佳分析譜線

Tab.5 Best analytical spectral lines for each element

2.2 儀器分析參數(shù)優(yōu)化

ICP-AES 的檢測性能與激發(fā)功率、霧化氣流量密切相關(guān)，直接影響分析物的揮發(fā)、原子化及激發(fā) - 電離效率。本研究以雜質(zhì)元素 Si、Fe、Ni、Re（含量低、對參數(shù)更敏感）為對象，優(yōu)化關(guān)鍵儀器參數(shù)。

2.2.1 激發(fā)功率優(yōu)化

設(shè)定積分次數(shù)為 2 次，激發(fā)功率在 900~1300W 范圍內(nèi)以 50W 遞增，考察功率對元素發(fā)射強度及測定精密度（RSD）的影響，結(jié)果如圖 1 所示。

由圖 1 (a) 可知，隨激發(fā)功率增大，元素發(fā)射強度逐漸升高（功率越高，等離子體能量越強，原子化效率越高）；由圖 1 (b) 可知，功率為 1150W 和 1200W 時，RSD 處于較低水平，但 1150W 時 RSD 略低（Fe、Re 的 RSD 分別降低 0.3%、0.5%），綜合能耗與檢測穩(wěn)定性，選擇激發(fā)功率為 1150W。

2.2.2 霧化氣流量優(yōu)化

設(shè)定激發(fā)功率為 1150W、積分次數(shù)為 2 次，霧化氣流量在 0.50~0.75 L?min?1 范圍內(nèi)調(diào)整，考察其對元素強度及 RSD 的影響，結(jié)果如圖 2 所示。

由圖 2 (a) 可知，霧化氣流量低于 0.65 L?min?1 時，元素強度隨流量增大而升高（霧化效率提升）；超過 0.65 L?min?1 后，強度下降（過量氣體稀釋等離子體，降低激發(fā)效率）；由圖 2 (b) 可知，流量為 0.65 L?min?1 時，各元素 RSD 最低（Si、Ni 的 RSD 分別為 1.2%、2.1%），故選擇霧化氣流量為 0.65 L?min?1。

2.3 基體和合金成分對測定結(jié)果的影響

2.3.1 基體效應(yīng)與干擾實驗

稱取 0、0.10、0.50、1.00g 純鈦基體，按 1.4 節(jié)方法溶解后，分別加入 100μg Al、Mo、Zr、Sn、W、Si、Fe、Ni、Re 標準溶液，稀釋至 100mL，測定各元素凈發(fā)射強度，結(jié)果如表 6 所示。

表 6 不同基體量下各元素的強度值（cps）

Tab.6 Intensity values of each element under different matrix quantities (cps)

由表 6 可知，隨鈦基體含量增加，各元素強度值顯著降低（如 Al 無基體時強度 329451.2 cps，1.00g 基體時降至 30456.3 cps），表明鈦基體對測定存在明顯抑制效應(yīng)，必須通過基體匹配消除干擾。

2.3.2 合金效應(yīng)與干擾實驗

參照 Ti175 合金實際成分，用純鈦基體與合金元素標準溶液模擬合成樣品，加入 2 倍于雜質(zhì)元素測定下限的標準溶液，分別采用 “僅基體匹配” 和 “基體 + 合金匹配” 工作曲線測定，計算回收率，結(jié)果如表 7 所示。

表 7 合成樣品 Ti175 中雜質(zhì)元素測定結(jié)果及回收率

Tab.7 Determination results and recovery rate of impurity elements in synthetic sample Ti175

由表 7 可知，僅基體匹配時，F(xiàn)e、Re 回收率偏離 90%~105%（Fe 67.5%、Re 70.0%）；而基體 + 合金匹配時，所有雜質(zhì)元素回收率均在 98%~113% 范圍內(nèi)，表明合金成分對低含量雜質(zhì)元素測定存在干擾，需通過雙匹配消除。

2.4 工作曲線、相關(guān)系數(shù)及檢出限

在優(yōu)化條件下測定標準系列溶液，建立工作曲線；對空白溶液連續(xù)測定 11 次，計算標準偏差（SD），以 3 倍 SD 為檢出限，結(jié)果如表 8 所示。

表 8 工作曲線的測定范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限

Tab.8 Measurement range, linear equation, correlation coefficient and detection limit of working curve

由表 8 可知，各元素線性相關(guān)系數(shù) r≥0.9992，檢出限為 0.0005%~0.0098%（Al 檢出限最低，Sn 檢出限最高），滿足 Ti175 合金中高含量合金元素與低含量雜質(zhì)元素的測定需求。

2.5 精密度實驗及加標回收實驗

稱取 Ti175 合金樣品平行測定 7 次，進行精密度實驗；同時加入一定量標準溶液進行加標回收實驗，結(jié)果如表 9 所示。

表 9 精密度實驗和加標回收實驗結(jié)果（n=7）

Tab.9 Results of precision test and spiked recovery test (n=7)

由表 9 可知，各元素加標回收率為 97.0%~102.0%，RSD≤6.94%（Re 的 RSD 最高，因含量極低），表明方法精密度良好、準確度高，可用于 Ti175 合金的實際檢測。

3、結(jié)論

建立了 HCl-HF-HNO?混合酸溶解試樣、ICP-AES 法測定 Ti175 高溫鈦合金中 Al、Mo、Zr、Sn、W、Si、Fe、Ni、Re 9 種元素的分析方法，通過篩選最佳分析譜線（如 Al 394.401nm、Re 227.525nm），優(yōu)化儀器參數(shù)（激發(fā)功率 1150W、霧化氣流量 0.65 L?min?1），有效提升檢測靈敏度與穩(wěn)定性。

鈦基體與合金成分對測定存在顯著干擾，采用 “基體 + 合金雙匹配” 可徹底消除干擾，確保低含量雜質(zhì)元素（如 Re、Ni）的準確測定。

方法線性關(guān)系良好（r≥0.999），檢出限低（0.0005%~0.0098%），精密度優(yōu)異（RSD≤6.94%），加標回收率可靠（97.0%~102.0%），完全滿足 Ti175 高溫鈦合金中 9 種元素的精準測定需求，為該新型合金的研發(fā)與質(zhì)量控制提供技術(shù)支撐。

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（注，原文標題：ICP-AES法測定Ti175高溫鈦合金中9種元素方法探究）