常用耐热合金材料的光谱分析
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摘要：光谱分析技术建立在识别元素特征谱线的基础之上。种类繁多的合金材料被广泛应用于国民生产各部门，耐高温、高压合金材料作为其中的一类，其常见合金元素一般为Cr、Mo、V、Ni、W、Ti、Mn、Nb等。文章旨在归纳常见合金元素的光谱分析方法，并介绍了部分应用实例。
关键词：特征光谱；谱线强度；看谱定性分析；看谱半定量分析
一、前言
种类繁多的合金材料被广泛应用于国民生产各个部门。因机组高温高压的运行特点，具备耐高温、高压和耐腐蚀特性的合金材料在发电行业得到了广泛应用。不同的合金材料，有不同的使用参数。我国电力行业标准《电力工业锅炉监察规程》、《电力建设施工及验收技术规范》以及《火力发电厂金属技术监督规程》等都要求对合金材料部件进行看谱分析，以免错用钢材造成事故。长期以来，发电行业机组运行参数等级不断提高，针对耐高温、高压合金材料的看谱分析技术也日益完善。
二、原理
物质是由元素的原子组成。不同元素的原子，其结构不同，原子核的大小和周围的电子数也不同。正常状态下，原子核外各电子处于基态，分布在不连续的能级轨道之上。当原子受到外界能量激发时，核外电子吸收能量，从基态跃迁到激发态。当电子再返回基态时，两个能级轨道之间的能量差值便以发射特征光谱的形式释放出来。所以在一定条件下，各种元素具有各自的特征谱线。故可根据某元素的特征谱线是否存在对其进行定性分析，通过测量该元素的特征谱线强度进行定量分析。根据赛伯-罗马金公式：
I=aCb
a――与试样蒸发，激发过程等有关的条件参数。
b――自吸系数，其值与谱线的自吸收有关。
I――元素特征谱线强度。
C――元素浓度。
从理论分析可知，在特定的分析条件下，谱线强度I与该元素在试样中的浓度成正比。鉴于a、b随试验条件的改变而变化，实践中往往采用内标法，将元素特征谱线强度与基体元素谱线强度进行比较，从而对比得到该元素含量。据此原理，采用看谱分析的方法，便可以对材料中的各种元素成份进行分析测定。
因运行温度不同，所使用的耐热合金材料等级各异。总的来说，目前常用的耐热合金材料包含如下钢号：12Cr1MoV、12CrMoV、10CrMo910、42CrMo、35CrMo、25Cr2Mo1V、25Cr2MoV、20Cr1Mo1V1A、20Cr1Mo1VTiB、20Cr1Mo1VNbTiB、16Mn、1Cr13、2Cr13、G102、T91、T92、T23、T24、X20CrMoV121、X20CrMoWV121、12Cr1Mo1WVNb、1Cr18-Ni9Ti、0Cr18Ni9、0Cr19Ni9、TP304、TP347、Super304H、HR3C等。材料品种虽多，但所需分析的合金元素一般只包含在以下几种之中：Cr、Mo、V、Ni、W、Ti、Mn、Nb等。所以，只要掌握了以上几种合金元素的分析方法，就可以较好的验证分析常用的合金材料。
四、分析方法
根据相关规程要求，结合金属检验实践。一般来说，只需对Cr、Mo、V合金元素进行半定量分析，Ni、W、Ti、Mn、Nb等合金元素进行定性分析，即能准确验证材料钢号。因此，首先必须能准确识别各合金元素所对应的特征谱线，熟悉这些谱线在光谱带中的位置。其次还需对待验钢材中各种合金元素的应有含量有一定了解，这样才能快速、准确地进行定性和半定量分析。现把主要元素的分析方法简述如下：
（一）铬
铬元素主要根据四组谱线进行分析测定，可测铬含量的范围为0.05%%到30%。常用耐热合金材料铬含量在0.7-4%和12%-20%之间。所以重点掌握黄绿色区Cr5（534.58nm）、Cr6（534.83nm）、Cr7（540.98nm）和青绿色区Cr1（492.23nm）谱线。当铬含量在0.7%-4%时，一般用铬二组（Cr5、Cr6）与铬三组（Cr7）配合测定，如图1。当铬含量在12%-20%时，一般用铬四组（Cr1）进行半定量分析，该谱线一般只在铬含量超过8%时作为半定量依据，如图5。
（二）钼
钼有二组谱线，可测钼含量的范围为0.05%到8%。常用耐热合金材料钼含量在0.25%-1%之间，所以重点掌握黄色区Mo3（553.30nm）和Mo4（557.05nm），如图2。但某些低合金材料如35CrMo、42CrMo等，其钼含量低于0.25%，此时一般用橙红色区Mo5（603.07nm）线作定性依据，该谱线是钼元素的灵敏线，如图4。
（三）钒
钒有三组谱线，可测钒的含量为0.15%到2.5%。常用耐热合金材料钒含量在0.15%-1%之间，所以要掌握紫色区V1（437.92nm）、V2（438.47nm）、V3（439.00nm）、V4（439.52nm）、V5（440.06nm）、V6（440.67nm）、V7（440.76nm）和蓝绿色区V8（487.55nm），见图3和图5。实践中，当钒含量较低时，可以橙红色区V11（603.97nm）作为分析依据，该谱线是钒的灵敏线，见图4。
（四）锰
锰有二组谱线，可测锰的含量为0.15%-12%，需重点掌握橙红色区Mn9（601.35nm）、Mn10（601.66nm）和Mn11（602.18nm）谱线，见图4。
（五）钨
钨有二组谱线，可测钨的含量为1-25%，重点掌握绿色区W2（505.33nm）和W3（505.46nm）谱线，见图6。
（六）钛
钛有三组谱线，可测钛含量的范围为0.1%-3.5%，重点掌握绿色区Ti2（498.17nm）和Ti3（499.95nm）谱线，见图5。
（七）镍
镍有三组谱线，可测镍含量的范围为1%-15%。常用耐热合金材料镍的含量在9%-15%之间。所以要重点掌握绿色区Ni3（503.54nm）。实践中，不锈钢材料中因为铬元素含量较高，其存在往往降低镍的灵敏性，加之镍的谱线有闪跃现象。所以往往配合Ni4（508.05nm）、Ni5（508.11nm）进行分析测定，该组谱线较之Ni3更为灵敏，见图6。
（八）铌
铌有三组谱线，可测铌含量的范围一般为0.06%-2.0%。常用合金材料铌的含量一般低于0.5%，所以要重点掌握绿色区Nb2（506.53nm），如图6。
五、应用
广州发电厂近年来相继对五台锅炉高温过热器管进行了改造，新换高温过热器管材质为T91（10Cr9Mo1VNb），安装前必须进行材质复核。首先必须了解，T91材质成分如下：Cr含量为8.00%-9.50%，Mo含量为0.85%-1.05%，V含量为0.18%-0.25%，Nb含量为0.06%-0.10%。因此可先在黄绿色区找到Cr5、Cr6两根谱线，Cr5谱线亮度大于Fe75，小于Fe74，Cr6谱线亮度略小于Fe70，即可确定铬的含量达到7%-10%；然后在黄色区找到Mo4谱线，亮度与Fe87相当，即钼的含量达到1%左右；再在紫色区找到V1谱线，亮度稍大于Fe1，而V2谱线亮度稍小于Fe1，即可知钒的含量为0.15%-0.3%；最后在绿色区找到Nb2谱线即可确认含铌；从而验证材质符合。
广州发电厂紧固件螺栓以25Cr2Mo1V材质居多，历次大修均有部分螺栓需要更换，该材质的光谱复核过程中，要注意与25Cr2MoV相区分。首先在黄绿色区找到Cr5、Cr6两根谱线，Cr5谱线亮度与Fe73谱线亮度相当，可知铬含量约2%；然后在黄色区找到Mo4谱线，若其亮度与Fe87相当，可知钼含量达约1%；反之，若Mo4亮度远小于Fe87，Mo3亮度与Fe83相当，则其钼含量为0.3%左右，这是25 Cr2MoV与25Cr2Mo1V的显著分别；再在紫色区找到V2谱线，亮度与Fe1相当，即钒的含量约0.3%；从而可验证螺栓材质为25 Cr2Mo1V。
近年来，广州发电厂在机组改造中，逐渐较多使用如1Cr18Ni9Ti、0Cr19Ni9、TP304、TP347等不锈钢材料。总的说来，不锈钢材质合金元素浓度高，特征谱线强度大，分析验证较为容易。现以TP347为例，首先查阅相关资料，得知其材料成分如下：Cr含量为18.0%，Ni含量为10.0%，Nb含量为0.8%。因此，可首先找到青绿色区Cr1线，其亮度大于Fe31，黄绿色区Cr6线亮度小于Fe74，据此可判定其Cr含量为15%-20%；然后再绿色区找到Ni3线，亮度稍大于Fe44，可知其含量约大于9%；然后在绿色区找到Nb2谱线；即可验证材质符合。
在对合金材料分析验证的工作中，也发现过不少错用材质的情况。广州发电厂员电#3机组工程中，在对汽缸进行到货检查时，发现一段抽汽管口和两个至低加抽汽管口所用材质为碳钢，而碳钢绝不能满足该温度参数的运行要求。经研究后，将其割断并更换12 Cr1MoV材质的管口。
实践证明，只要熟练掌握特征谱线位置，选用适当的基体谱线作为比较线，即可准确验证材质合金成份及浓度。实际工作中，也经常采用已知同种材质的试样作为标样，来比照验证材质钢号。无论何种方法，对合金元素的分析都是先定性再定量的分析过程。
六、结论
大量实践证明，看谱分析是一种便捷、有效的分析方法，在针对耐热合金材料的材质分析工作中得到了广泛应用。但看谱分析方法对人的依赖性较大，一定程度上，其准确度和有效性受到了检测人员的理论分析能力和实
践经验的影响。因此实际工作中，对于重要设备、材料的验收应进行必要的复核。
参考文献：
1、王长庆等.看谱分析彩色光谱图册[M].山西人民出版社,1985.
2、火力发电厂金属光谱分析导则[S].电力工业部基建司,1993.
3、西安热工研究所.热工技术手册(金属篇)[M].水利电力出版社,1989.
（作者单位：广州发电厂。作者为助理工程师）