高性能合金中痕量元素激光探針分析方法研究.pdf

1、現(xiàn)代航空、航天、核電等技術(shù)的發(fā)展，對金屬材料的性能提出了更多、更高、更嚴的要求，燃氣輪機熱端部件用高溫合金、核電蒸汽發(fā)生器用鎳基耐蝕合金、航空鈦合金等高性能合金材料也蓬勃發(fā)展起來。在高性能合金的研制與生產(chǎn)過程中，各種微量元素含量的精確測定十分重要。例如，適量的磷可顯著提高高溫合金持久和蠕變性能；元素硼會降低鎳基690合金耐晶間腐蝕和堿應(yīng)力腐蝕性能；元素釔在鈦合金中可顯著細化晶粒，提高強度，改善塑性。現(xiàn)有眾多儀器分析方法，如電感耦合等離子

2、體原子發(fā)射光譜、火花源原子發(fā)射光譜、X射線熒光、質(zhì)譜法等，能夠滿足高性能合金發(fā)展中許多分析要求，但仍舊存在諸多不足，如需要復(fù)雜的樣品預(yù)處理過程、分析繁瑣費時、分析人員需要專業(yè)培訓(xùn)等，迫使眾多研究者去尋找一些全新的成分分析方法。
　　激光探針，又稱激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-induced Breakdown Spectroscopy，簡稱LIBS），是一種新穎的原子發(fā)射光譜分析方法，具有無需樣品預(yù)處理、分析簡單快捷、能夠進行微區(qū)

3、分析和在線分析等優(yōu)點，能夠極好地彌補現(xiàn)有分析方法的不足，在合金材料成分分析方面應(yīng)用前景廣闊，多年來持續(xù)成為研究熱點并逐步走向?qū)嵱没?。然而，在鐵基、鎳基和鈦基高性能合金的激光探針成分分析中，密集的鐵、鎳、鈦譜線和豐富的合金元素光譜帶來的嚴重光譜干擾，使得分析精度偏低，成為制約激光探針應(yīng)用的主要因素。因此，研究合適的光譜增強方法，克服光譜干擾的影響，是提高激光探針分析靈敏度的關(guān)鍵。
　　本論文以鋼鐵和高溫合金中磷、鎳基合金中硼和鈦基合

4、金中釔的激光探針分析為具體目標，系統(tǒng)研究了空間約束和共振激發(fā)兩種激光探針增強方法在克服基體光譜干擾和提高激光探針分析靈敏度方面的作用，為激光探針技術(shù)的應(yīng)用范圍擴展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。本論文取得的主要研究成果和創(chuàng)新點如下：
　　(1)實驗證明采用激光探針方法在空氣中進行生鐵和低合金鋼中磷的定量分析是可行的。本論文通過實驗發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e和Cu譜線對磷譜線P I214.91 nm的干擾可以通過增大延遲時間的方法大幅降低，而生鐵和低合金鋼中 V、W

5、、Sn、Zr、Nb等干擾元素的含量較低時，其光譜對P I214.91 nm的干擾并不明顯，因此激光探針在空氣中分析生鐵和低合金鋼中磷是可行的，磷檢測極限分別達到12 ppm和9 ppm。與相關(guān)文獻報道相比，本方法無需真空紫外工作環(huán)境，在空氣中就能進行，裝置簡單可靠，在分析生鐵和低碳鋼中痕量磷元素時具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。
　　(2)本論文首次同時從理論和實驗方面對空間約束效應(yīng)進行了研究。理論和實驗研究結(jié)果均表明，空間約束光譜增強因子隨

6、元素而異，任意兩譜線的光譜增強因子之比可用本論文提出的增強因子關(guān)系公式描述，該增強因子關(guān)系公式可以有效應(yīng)用于評估空間約束效應(yīng)。本研究一定程度上彌補了現(xiàn)有空間約束研究中理論研究十分缺乏的不足，有助于加快空間約束激光探針的發(fā)展。本論文應(yīng)用增強因子關(guān)系公式及實驗證明，對于高性能合金中磷、硼、釔分析等光譜干擾嚴重的應(yīng)用場合，空間約束方法難以降低光譜干擾的影響，故難以改善激光探針的分析準確度。因此，此前文獻報道的空間約束方法能夠改善激光探針定量分

7、析準確度的結(jié)論需要加上一定約束條件。
　　(3)采用共振激發(fā)激光探針方法分析了生鐵、低合金鋼和高溫合金中的磷元素。結(jié)果表明，當采用255.49 nm OPO激光增強磷譜線P I214.91 nm時，無論是分析生鐵，低合金鋼還是高溫合金中的磷，共振激發(fā)激光探針方法均能獲得十分優(yōu)良的結(jié)果，磷檢測極限分別為11 ppm，8.8 ppm和5.4 ppm。因此共振激發(fā)激光探針能夠成為鋼鐵和高溫合金中磷的通用分析方法，其分析靈敏度滿足相關(guān)標準

8、的要求，且分析速度和簡便性均遠遠優(yōu)于現(xiàn)有化學(xué)分析方法，因此有望大幅度簡化鋼鐵及高溫合金中磷元素分析工作，并得到實際工業(yè)應(yīng)用。
　　(4)首次采用共振激發(fā)激光探針方法研究了鎳基合金中痕量硼元素、鈦合金中痕量釔元素的定量測試方法。實驗中采用249.77 nm OPO激光，使硼譜線B I208.96 nm得到增強，鎳基合金中硼的檢測極限為0.6 ppm；采用378.87 nm OPO激光，使釔譜線Y II417.75 nm得到增強，鈦基

9、合金中釔的檢測極限為0.4 ppm。共振激發(fā)激光探針分析硼、釔的靈敏度均完全滿足相關(guān)分析標準的要求，有望在高性能合金分析中得到實際應(yīng)用。
　　(5)硼、磷、釔的共振激發(fā)激光探針分析結(jié)果表明，與普通激光探針相比，共振激發(fā)激光探針具有抗光譜干擾能力強大，分析靈敏度更高，可重復(fù)性更好等優(yōu)點，但是也具有一次只能分析一種元素的缺點。因此，共振激發(fā)激光探針作為一種激光探針增強方法，適合于分析很多因嚴重光譜干擾或元素含量過低而難以采用普通激光探