航空渦輪發(fā)動機作為飛機的心臟，具有極高的的研發(fā)門檻和制造難度，它在非常有限的空間內(nèi)和極端惡劣的條件下 ( 高溫高壓高應(yīng)力 )，要保證能夠長期地、穩(wěn)定地、完全地釋放性能，因而被稱為現(xiàn)代工業(yè)造物之最。渦輪葉片是渦輪發(fā)動機中決定性能的關(guān)鍵部件，也是溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位，這對其材料提出了苛刻要求。

鎳基單晶高溫合金是鑄造高溫合金的一種，具有高溫強度高、抗蠕變性能強、抗氧化性強等特點，美國 F22 的 F119、歐盟“臺風”的 EJ200、俄國 T50的117S 等均使用鎳基單晶高溫合金作為發(fā)動機渦輪葉片材料。我國自 20 世紀 80 年代以來，在鎳基單晶合金方面投入了大量人力物力，首先研制出我國第一代單晶高溫合金 DD4。90 年代中期，加入了 Re 元素的第二代單晶高溫合金 DD6 研發(fā)成功，如今已成功批量化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于我國多型號先進航空發(fā)動機。

為使鎳基合金中晶體內(nèi)部微粒規(guī)律排列，成為只有單個晶粒且高度合金化的單晶高溫合金，必須嚴格控制其各組分含量。將其中的 C，B 等元素盡可能去除以消除晶界，并加入大量 Cr，Co，W，Ta 等難熔金屬和 Re，Ru 等稀有金屬來提高固溶處理溫度。這不僅增加了成本，而且提高了質(zhì)量控制難度，因此只有準確測定其中各元素含量，才能實現(xiàn)對材料的質(zhì)量和成本控制，為科研生產(chǎn)提供保障，促進我國航空發(fā)動機發(fā)展。

目前國內(nèi)外還沒有公開的單晶高溫合金中元素含量的標準分析方法，科研與生產(chǎn)中只能參照常規(guī)鎳基合金的分析方法，如經(jīng)典化學(xué)分析法、原子吸收光譜法(AAS)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法 (ICP–MS)、X 射線光譜法 (XRF)等。但由于經(jīng)典化學(xué)分析法操作難度大且耗時長；AAS 僅能單元素測定，效率低；AFS 不適用熒光譜線介于200~290 nm 以外的元素的測定；ICP–MS 難以測定高含量元素；XRF 在沒有標準物質(zhì)時準確度低等諸多限制因素，目前均未能廣泛應(yīng)用。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法 (ICP–OES) 測定鎳基合金元素組分已有大量研究素的測定，尤其是多元素同時測定的研究鮮有報道。其主要原因是單晶合金中元素組分復(fù)雜，光譜干擾及非光譜干擾嚴重影響測定結(jié)果。

筆者采用微波消解法對樣品進行前處理，建立了電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定鎳基單晶高溫合金中 Al，Cr，Co 元素的含量，通過加入絡(luò)合劑酒石酸防止黃色鎢酸沉淀的生成，延長樣品保存時間；考察了合金中各元素的光譜干擾以及非光譜干擾對測定結(jié)果的影響，通過選擇分析譜線并采用基體匹配法消除基體干擾，提高了測定結(jié)果的精密度和準確度，滿足單晶高溫合金中 Al，Cr，Co 測定的要求。

1　實驗部分

1.1　主要儀器與試劑

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀：iCAP-6300 型；

電子分析天平：New Classic MF 型，感量為 0.1 mg;

微波消解儀：MARS 型；

超純水儀：Milli-Q 型；

鋁、鉻、鈷單元素標準溶液：質(zhì)量濃度均為 1000 μg／mL，編 號 分 別 為 GBW(E) 080981，GBW(E) 081001，GBW(E) 081005；

高純鎳：純度大于 99.99%；

鹽酸 (1.18 g／mL)、硝酸 (1.50 g／mL)、氫氟酸(ρ=0.888 g／mL) ：優(yōu)級純；

酒石酸：優(yōu)級純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；

實驗用水為超純水，電阻率為 18 MΩ·cm；

DD6 鎳基單晶高溫合金樣品。

1.2　溶液配制

鎳儲備溶液：1 g／L，由高純鎳經(jīng)硝酸溶解后配制而成。

酒石酸溶液：500 g／L，由酒石酸經(jīng)水溶解后配制而成。

系列混合標準工作溶液：分別準確移取 0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 mL 鋁、鉻、鈷單元素標準溶液，置于6 只 100 mL 塑料容量瓶中，各加入 12 mL 鎳儲備溶液、4 mL 酒石酸溶液以及適量的硝酸和氫氟酸，以水定容至標線，使溶液中硝酸和氫氟酸的體積分數(shù)分別為 8% 和 2%，搖勻，配制成鋁、鉻、鈷、鎳的質(zhì)量濃度如表 1 所示的系列混合標準工作溶液。

1.3　儀器工作條件

RF 功率：1 150 W ；輔助氣流量：0.50 L／min ；霧化氣流量：0.65 L／min ；蠕動泵轉(zhuǎn)速：50 r／min ；垂直觀測高度：12 mm ；清洗時間：30 s ；積分次數(shù)：3 次；曝光時間：30 s ；進樣系統(tǒng)：聚四氟乙烯進樣系統(tǒng)。

1.4　樣品前處理

準確稱取 0.2 g( 精確到 0.000 1 g) 鎳基單晶高溫合金樣品，置于 100 mL 聚四氟乙烯消解罐中，加入 8 mL 硝酸和 2 mL 氫氟酸。待反應(yīng)停止后，旋緊密封蓋，放入微波消解儀中，設(shè)置儀器功率為 800 W，爬升時間為 10 min，保持時間為 25 min，對樣品進行微波消解。消解完成后冷卻至室溫，將消解液轉(zhuǎn)移至 100 mL 塑料容量瓶中，加入 4 mL 酒石酸溶液，加水定容至標線，搖勻，備用。

2　結(jié)果與討論

2.1　樣品前處理方法選擇

鎳基單晶高溫合金中元素復(fù)雜，按照 ASTM E2594–2009 (R2014)《用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法分析鎳合金的標準試驗方法 ( 基于性能的方法 )》中的樣品前處理方法對樣品進行處理，發(fā)現(xiàn)溶液底部有黃色不溶物，會嚴重損害儀器并干擾測定結(jié)果。這是由于鎳基單晶高溫合金中 W含量較高，在非密閉環(huán)境中氫氟酸極易揮發(fā)損失，從而導(dǎo)致 W 在硝酸環(huán)境中生成黃色鎢酸沉淀。因此選用密閉微波消解法處理樣品，并加入酒石酸，從而有效避免鎢酸沉淀生成，保護儀器進樣系統(tǒng)，提高測定結(jié)果準確性。

2.2　光譜干擾及校正

光譜干擾是指干擾元素與待測元素的光譜信號相互重疊，而光譜儀無法將它們完全分開所導(dǎo)致的干擾效應(yīng)。它是多種因素共同作用的結(jié)果，主要有譜線重疊、譜線自吸和自蝕、背景干擾、峰形拖尾、譜線漂移等不同的表現(xiàn)形式，選擇合適的分析譜線是最簡單而實用的光譜干擾消除方法。

分別在 Al，Cr，Co 元素所有分析譜線下測定僅含共存元素而不含待測元素的模擬樣品，以及僅含待測元素而不含共存元素的模擬樣品，獲得各待測元素光譜干擾結(jié)果。根據(jù)其干擾結(jié)果確定鎳基單晶高溫合金中 Al，Cr，Co 元素的最佳分析譜線分別為394.401，267.716，228.616 nm。

2.3　非光譜干擾及補償

非光譜干擾包括基體干擾、化學(xué)干擾、物理干擾、信號漂移等，它是由 ICP–OES 的進樣、霧化、激發(fā)、離子化等步驟中一個或多個步驟的影響而產(chǎn)生，干擾程度復(fù)雜多變，且難以校正。故非光譜干擾通常采用基體匹配法、內(nèi)標法和標準加入法對測定結(jié)果的偏差進行補償，但對于鎳基單晶高溫合金來說，常用內(nèi)標元素 Y 與溶液體系中的氫氟酸反應(yīng)，而標準加入法也因干擾元素眾多而工作量巨大，因此選擇基體匹配法對非光譜干擾進行補償。在選定的 Al，Cr，Co 元素分析譜線下，分別測定含共存元素和待測元素與實際樣品一致的樣品，以及僅含待測元素與實際樣品一致不含共存元素的樣品，計算其偏差，結(jié)果見表 2。

由表2中可知，Ni元素的非光譜干擾影響最大，而其它元素的影響較小，故對合金中的 Ni 進行基體匹配，即在系列標準工作溶液中加入鎳儲備溶液，使其濃度與樣品中的濃度相當。

2.4　工作曲線與方法檢出限

在 1.3 儀器工作條件下，對 1.2 中的系列混合標準工作溶液進行測定，以待測元素的質(zhì)量濃度 (x)為橫坐標，對應(yīng)的發(fā)射光譜強度 (y) 為縱坐標，繪制標準工作曲線，計算線性回歸方程和線性相關(guān)系數(shù)。

在 1.3 儀器工作條件下，測定鎳基空白溶液 11次，以 3 倍標準偏差為方法檢出限。鋁、鉻、鈷元素的線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限見表 3。

2.5　精密度試驗

按 1.4 方法處理 DD6 單晶高溫合金樣品，在 1.3儀器工作條件下，連續(xù)測定 11 次，結(jié)果見表 4。

由 表 4 可 知，測 定 結(jié) 果 的 相 對 標 準 偏 差 為0.99%~1.21%，說明該方法精密度良好。

2.6　加標回收試驗

在樣品中加入一定量的鋁、鉻、鈷單元素標準溶液，配制成加標樣品，按所建方法進行加標回收試驗，結(jié)果見表 5。由表 5 可知，Al，Cr，Co 的加標回收率分別為 96.45%~103.69%，98.20%～99.40%，100.22%～102.85%。表明該方法具有良好準確度，滿足鎳基單晶高溫合金中 Al，Cr，Co 元素含量的測定要求。

3　結(jié)語

建立了電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定DD6 單晶高溫合金中鋁、鉻、鈷元素含量的方法。采用密閉微波消解對樣品進行前處理，確保樣品完全溶解，提高樣品測定結(jié)果準確度，分析了測定過程中的光譜干擾及非光譜干擾，并通過選擇合適的分析譜線以及采用基體匹配法消除了干擾效應(yīng)，由于目前尚沒有鎳基單晶高溫合金標準物質(zhì)，該方法通過向 Al，Cr，Co 混合標準溶液中加入鎳基體溶液的方式配制系列混合標準工作溶液，可基本滿足日常生產(chǎn)、科研工作的需要。