ICP-AES法测定Ti175高温钛合金中9种元素的关键技术优化与性能评价：分析谱线干扰规避、激发功率-雾化气流量协同调控及双匹配策略（基体+合金）对测定准确性的提升作用

高温钛合金具有高热强性、耐腐蚀性、抗氧化性及良好塑性等特点，广泛应用于航空航天、汽车制造等高端领域 [1-4]。Ti175 合金是国内新研制的 α+β 型高温钛合金，目前处于科研试制阶段，其主要合金元素包括 Al、Mo、Zr、Sn、W，关键杂质元素为 Si、Fe、Ni、Re。其中，β 稳定元素 Mo、Zr、W 及 Si 可提升合金高温蠕变性能，Re 直接影响材料强度与耐热性 [5]，因此准确测定 Ti175 合金中这 9 种元素的含量，对推动该新型钛合金牌号的研发与工程化应用具有决定性作用。

ICP-AES 法因具有多元素同时测定、灵敏度高、分析速度快等优势，是金属材料化学成分检测的重要手段 [6-9]。现有标准 YS/T 1262-2018 [10] 虽可同时测定多种元素，但无法满足 Ti175 高温钛合金中 9 种元素（尤其是低含量杂质元素 Re、Ni）的同步准确测定需求。为此，本研究针对 ICP-AES 法测定 Ti175 合金中 Al、Mo、Zr、Sn、W、Si、Fe、Ni、Re 展开系统探究，优化激发功率、雾化气流量等关键仪器参数，考察分析谱线干扰规律，通过基体 - 合金双匹配消除干扰，最终建立精准、可靠的分析方法，并通过精密度与加标回收实验验证方法有效性。

1、实验部分

1.1 主要仪器

iCAP PRO XP 型电感耦合等离子体原子发射光谱仪（赛默飞世尔科技有限公司）；

Milli-Q 型超纯水机（美国 Millipore 公司）。

1.2 试剂与材料

HCl、HF、HNO₃：分析纯，洛阳昊华化学试剂有限公司；

纯钛（w (Ti)≥99.998%）：北京纳克分析仪器有限公司；

Al、Mo、Zr、Sn、W、Si、Fe、Ni、Re 标准贮存溶液（1.00 mg・mL⁻¹）：北京纳克分析仪器有限公司，根据实验需求稀释使用；

实验用水：二级水（符合 GB/T 6682-2008 要求）。

1.3 仪器工作条件

结合仪器说明书推荐参数与实验优化结果，确定最佳工作参数如表 1 所示，确保仪器处于最优检测状态。

表 1 最佳工作参数

Tab.1 Optimum operating parameters

1.4 样品溶液的制备

称取 0.10g（精确至 0.0001g）Ti175 合金样品，置于 250mL 聚四氟乙烯烧杯中，依次加入 10mL HCl（1:1，体积比）、2mL HF，常温下搅拌溶解；待样品完全溶解后，滴加 1mL HNO₃氧化残余杂质，冷却后转移至 100mL 塑料容量瓶中，用二级水稀释至刻度，摇匀待测。

1.5 标准溶液配制

1.5.1 合金元素工作曲线配制

称取 6 份 0.08g 纯钛基体，分别置于 250mL 聚四氟乙烯烧杯中，按 1.4 节方法溶解处理后，转移至 100mL 塑料容量瓶中；按表 2 所示浓度梯度加入 Al、Mo、Zr、Sn、W 标准溶液，用二级水稀释至刻度，摇匀，得到合金元素标准系列溶液。

表 2 合金元素工作曲线中各元素浓度（%）

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

1.5.2 杂质元素工作曲线配制

称取 6 份 0.08g 纯钛基体，分别置于 250mL 聚四氟乙烯烧杯中，按 1.4 节方法溶解处理后，转移至 100mL 塑料容量瓶中；先加入与 Ti175 合金实际成分匹配的 Al（6.5%）、Sn（2%）、Zr（3.5%）、Mo（4.0%）、W（1.2%）合金元素标准溶液，再按表 3 所示浓度梯度加入 Si、Fe、Ni、Re 杂质元素标准溶液，用二级水稀释至刻度，摇匀，得到杂质元素标准系列溶液。

表 3 杂质元素工作曲线中各元素浓度（%）

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

2、结果与讨论

2.1 分析谱线选择

根据 Ti175 合金中各元素含量（合金元素高含量、杂质元素低含量），配制基体溶液与单一元素标准溶液，通过光谱仪考察各元素谱线受钛基体及共存元素的干扰情况。遵循 “灵敏度适中、干扰程度小、信噪比高” 原则，筛选分析谱线，结果如表 4 所示。

表 4 钛合金中各元素波长干扰情况

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

由表 4 可知，多数元素谱线受钛基体或共存元素干扰（如 Al 396.153nm 受 Mo 干扰、Ni 221.648nm 受 Zr 干扰）。通过调整谱线积分区域、背景点位置，并结合基体 - 合金匹配，最终确定各元素最佳分析谱线如表 5 所示，可有效消除干扰。

表 5 各元素最佳分析谱线

Tab.5 Best analytical spectral lines for each element

2.2 仪器分析参数优化

ICP-AES 的检测性能与激发功率、雾化气流量密切相关，直接影响分析物的挥发、原子化及激发 - 电离效率。本研究以杂质元素 Si、Fe、Ni、Re（含量低、对参数更敏感）为对象，优化关键仪器参数。

2.2.1 激发功率优化

设定积分次数为 2 次，激发功率在 900~1300W 范围内以 50W 递增，考察功率对元素发射强度及测定精密度（RSD）的影响，结果如图 1 所示。

由图 1 (a) 可知，随激发功率增大，元素发射强度逐渐升高（功率越高，等离子体能量越强，原子化效率越高）；由图 1 (b) 可知，功率为 1150W 和 1200W 时，RSD 处于较低水平，但 1150W 时 RSD 略低（Fe、Re 的 RSD 分别降低 0.3%、0.5%），综合能耗与检测稳定性，选择激发功率为 1150W。

2.2.2 雾化气流量优化

设定激发功率为 1150W、积分次数为 2 次，雾化气流量在 0.50~0.75 L・min⁻¹ 范围内调整，考察其对元素强度及 RSD 的影响，结果如图 2 所示。

由图 2 (a) 可知，雾化气流量低于 0.65 L・min⁻¹ 时，元素强度随流量增大而升高（雾化效率提升）；超过 0.65 L・min⁻¹ 后，强度下降（过量气体稀释等离子体，降低激发效率）；由图 2 (b) 可知，流量为 0.65 L・min⁻¹ 时，各元素 RSD 最低（Si、Ni 的 RSD 分别为 1.2%、2.1%），故选择雾化气流量为 0.65 L・min⁻¹。

2.3 基体和合金成分对测定结果的影响

2.3.1 基体效应与干扰实验

称取 0、0.10、0.50、1.00g 纯钛基体，按 1.4 节方法溶解后，分别加入 100μg Al、Mo、Zr、Sn、W、Si、Fe、Ni、Re 标准溶液，稀释至 100mL，测定各元素净发射强度，结果如表 6 所示。

表 6 不同基体量下各元素的强度值（cps）

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

由表 6 可知，随钛基体含量增加，各元素强度值显著降低（如 Al 无基体时强度 329451.2 cps，1.00g 基体时降至 30456.3 cps），表明钛基体对测定存在明显抑制效应，必须通过基体匹配消除干扰。

2.3.2 合金效应与干扰实验

参照 Ti175 合金实际成分，用纯钛基体与合金元素标准溶液模拟合成样品，加入 2 倍于杂质元素测定下限的标准溶液，分别采用 “仅基体匹配” 和 “基体 + 合金匹配” 工作曲线测定，计算回收率，结果如表 7 所示。

表 7 合成样品 Ti175 中杂质元素测定结果及回收率

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

由表 7 可知，仅基体匹配时，Fe、Re 回收率偏离 90%~105%（Fe 67.5%、Re 70.0%）；而基体 + 合金匹配时，所有杂质元素回收率均在 98%~113% 范围内，表明合金成分对低含量杂质元素测定存在干扰，需通过双匹配消除。

2.4 工作曲线、相关系数及检出限

在优化条件下测定标准系列溶液，建立工作曲线；对空白溶液连续测定 11 次，计算标准偏差（SD），以 3 倍 SD 为检出限，结果如表 8 所示。

表 8 工作曲线的测定范围、线性方程、相关系数及检出限

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

由表 8 可知，各元素线性相关系数 r≥0.9992，检出限为 0.0005%~0.0098%（Al 检出限最低，Sn 检出限最高），满足 Ti175 合金中高含量合金元素与低含量杂质元素的测定需求。

2.5 精密度实验及加标回收实验

称取 Ti175 合金样品平行测定 7 次，进行精密度实验；同时加入一定量标准溶液进行加标回收实验，结果如表 9 所示。

表 9 精密度实验和加标回收实验结果（n=7）

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

由表 9 可知，各元素加标回收率为 97.0%~102.0%，RSD≤6.94%（Re 的 RSD 最高，因含量极低），表明方法精密度良好、准确度高，可用于 Ti175 合金的实际检测。

3、结论

建立了 HCl-HF-HNO₃混合酸溶解试样、ICP-AES 法测定 Ti175 高温钛合金中 Al、Mo、Zr、Sn、W、Si、Fe、Ni、Re 9 种元素的分析方法，通过筛选最佳分析谱线（如 Al 394.401nm、Re 227.525nm），优化仪器参数（激发功率 1150W、雾化气流量 0.65 L・min⁻¹），有效提升检测灵敏度与稳定性。

钛基体与合金成分对测定存在显著干扰，采用 “基体 + 合金双匹配” 可彻底消除干扰，确保低含量杂质元素（如 Re、Ni）的准确测定。

方法线性关系良好（r≥0.999），检出限低（0.0005%~0.0098%），精密度优异（RSD≤6.94%），加标回收率可靠（97.0%~102.0%），完全满足 Ti175 高温钛合金中 9 种元素的精准测定需求，为该新型合金的研发与质量控制提供技术支撑。

参考文献

[1] 文豪，冯军宁。国内高温钛合金板材研究现状 [J]. 世界有色金属，2023,(9): 130-133.

[2] 王冰，相志磊，周宗熠，等。耐 600℃及以上高温钛合金研究进展 [J]. 钢铁钒钛，2024, 44 (2): 42-50.

[3] 朱培亮，辛社伟，毛小南，等。高温钛合金的热稳定性研究进展 [J]. 钛工业进展，2023, 40 (1): 42-48.

[4] 王凯婷。高温钛合金的发展与应用 [J]. 世界有色金属，2021, (14): 21-22.

[5] 严鹏飞，臧旭，宋体杰，等。电感耦合等离子体原子发射光谱法测定 Ti65 高温合金中 16 种元素 [J]. 分析测试学报，2024, 43 (9): 1348-1355.

[6] 罗策，李剑，黄永红，等. ICP-OES 法测定 Ti80 钛合金中铝铌锆钼铁硅 [J]. 化学工程师，2015, 29 (10): 21-23.

[7] 杜永勤，王建平，王书华，等。新型 Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo (Ti80) 合金焊接工艺研究 [J]. 石油化工设备，2015, 44 (2): 67-73.

[8] 孙肖媛，张卫强，曾海梅，等。电感耦合等离子体原子发射光谱法测定 Ti-Al-Mo 系钛合金中的铝和钼 [J]. 理化检测 (化学分册), 2018, 54 (12): 1456-1458.

[9] 刘婷，黄永红，白焕焕. ICP-AES 法同时测定钛合金中钽､铌､钨元素含量 [J]. 钛工业进展，2013, 30 (6): 38-41.

[10] 罗策，刘婷，白焕焕，等. YS/T 1262-2018《海绵钛､钛及钛合金化学分析方法 多元素含量的测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法》应用解析 [J]. 中国标准化，2021,(11): 184-188.

（注，原文标题：ICP-AES法测定Ti175高温钛合金中9种元素方法探究）