鈦及鈦合金的縫隙腐蝕行為

楊專釗，劉道新，張曉化

（西北工業大學，西安710072）

與結構鋼和鋁合金相比，鈦合金具有比強度（強度與密度比值）高、無磁性、耐高溫等優點，在航空航天領域內被廣泛使用。在用作緊固件時，由于鈦合金具有良好的彈性，所以對于鈦合金緊固件，施加預載荷或定載荷后，使螺栓發生彈性形變，可以有效防止螺栓松動。

但是，在一定的環境介質條件下，鈦合金作為緊固件，可能發生局部腐蝕——接觸腐蝕，即鈦合金與其他材料的組合使用過程中，可導致其他低電位的材料加速腐蝕。

盡管對鈦合金接觸腐蝕進行了許多研究工作，但在實際航空工業應用中，隨著新型鈦合金和新材料的研究開發，新的接觸腐蝕體系不斷出現，有必要進一步探討并解決這類問題。鈦合金常溫條件下具有良好的耐縫隙腐蝕性能，本工作研究了不同成分體系鈦合金在高溫苛刻條件下的縫隙腐蝕敏感性，更深入地認識不同鈦合金體系的縫隙腐蝕敏感性，為航空航天工業中鈦合金與其他材料合理組合使用提供科學依據。

1 試驗

1.1 試驗材料與試樣

試驗材料有工業純鈦（TA2）、Ti-5Al-2.5Sn（TA7），Ti-0.2Pd（TA9），51Ti49Ni（TiNi），Ti-0.3Mo-0.8Ni（TA10），Ti-6Al-4V（TC4）和Ti-6Ta（Ti35）。

試樣尺寸為40mm×25mm×（23）mm的薄片，中心孔直徑φ7mm。試樣表面經水砂紙打磨至800＃，并用丙酮超聲除油。試樣的安裝完全模擬緊固件固定的方式，縫隙由試樣兩側的聚四氟乙烯（PTFE）墊片來組裝形成。為減少外界因素對縫隙腐蝕試驗結果的影響，固定墊片的緊固件也采用聚四氟乙烯材料制成的螺栓與螺母，并采用統一的緊固力矩。同時，為保證試驗準確度，每種材料設置2組平行試樣。

圖1為試樣安裝示意圖，聚四氟乙烯緊固件為M6螺紋，詳細參 見國標GB／T 13671-1992［1］和GB／T10127-2002［2］。螺栓及其組合的的緊固都采用了統一的力矩，以保證組合之間形成的縫隙的形狀和尺寸一致。

圖1 縫隙腐蝕試樣安裝示意圖

1.2 試驗裝置

試驗裝置由1000mL容量三角燒瓶、1000mL電子調溫電熱套加熱器、蛇形冷凝管及乳膠軟管等組成。將組裝好的試樣放置在三角燒瓶內，利用電熱套加熱調溫，如圖2所示。為防止NaCl濃度變化，在燒瓶口接冷凝管，冷凝管內通流動冷水，來冷凝回流鹽溶液水蒸氣。

圖2 試樣暴露示意圖

1.3 試驗條件與過程

根據GB／T 10124-2002［3］，以及相關資料［4］，確定鈦合金縫隙腐蝕試驗試驗條件如下：

（1）試驗溶液 采用分析純NaCl與蒸餾水配制的5mol·L-1NaCl，溶液pH范圍為2.83.2，采用0.1mol·L-1的HCl調節。試驗溶液120h更新一次。

（2）試驗加熱 溶液保持微沸狀態，溶液溫度110℃。

（3）試驗周期 縫隙腐蝕試驗持續周期為60d。

（4）試驗過程 將準備好的試樣進行干燥和稱量；并將試驗輔助材料，聚四氟乙烯螺栓、螺母、墊片，進行打磨除油、干燥等處理；再按照圖1形式進行組合裝配成縫隙腐蝕試驗模型，按照統一力矩緊固螺母。每件試樣可以觀察正反兩面的縫隙腐蝕情況；然后將其投入到裝有5mol·L-1NaCl溶液的燒瓶內，加熱至溶液沸騰，開始試驗計時；60d后，自然冷卻取出試樣，經過清理后觀察試樣形貌，并進行稱量等測量和分析。

2 結果與討論

不同體系鈦合金在上述試驗條件下經過60d縫隙腐蝕試驗后，部分試樣發生了縫隙腐蝕。發生明顯縫隙腐蝕的試樣有TiNi，TA7，TC4，TA2和Ti35，其中TiNi和TA7材料，每種材料平行2件試樣的4個縫隙面上都發生了縫隙腐蝕，概率為100%；TC4材料，平行2件試樣四個縫隙面內有兩個面發生縫隙腐蝕，概率為50%；而TA2與Ti35，只有一個縫隙面上發生了縫隙腐蝕，概率為25%。這些鈦合金材料縫隙腐蝕形貌見圖3。

反發生較輕微腐蝕的試樣是TA9和TA10，只在聚四氟乙烯墊片處失去金屬光澤，如圖4所示。可見，鈦合金在試驗條件下具有發生縫隙腐蝕的可能性，發生縫隙腐蝕的程度與鈦合金材料密切相關。

上述不同鈦合金縫隙腐蝕的結果與鈦合金在沸騰硝酸全浸腐蝕的結果較為一致［5］（見表2），該文獻對上述鈦合金在沸騰硝酸中的耐蝕性順序由強到弱依次為TA2，TA9，TA10，TiNi和Ti35 5種合金進行了硝酸全浸腐蝕。結果顯示，其中Ti35最耐腐蝕，腐蝕速率為0.07mm·a-1；而TiNi最不耐腐蝕，腐蝕速率為28mm·a-1；TA2，TA9和TA10腐蝕速率較為接近，在0.30～0.43mm·a-1范圍內。

圖3 鈦合金縫隙腐蝕試驗后形貌

圖4 縫隙腐蝕較輕試樣

表2 鈦合金在沸騰硝酸全浸腐蝕速率mm·aˉ1

TA2，TA9和TA10的表面層完全為TiO2，Ti35合金表面的氧化層組成主要是Ti的各種價態的氧化物。Ti35是α系Ti-Ta二元合金，Ta的質量分數不超過6%，在強腐蝕環境下容易形成更加致密的保護膜，因此具有良好的耐蝕性。而TiNi合金，主要元素為鈦與鎳，其中鎳的質量分數50%，因此鈦的含量和純凈度都大大下降，也是耐蝕性較差原因所在［6-8］。

而且，同時可以說明鈦合金縫隙腐蝕對于聚四氟乙烯墊片材料較為敏感。

綜上所述，鈦合金發生縫隙腐蝕的條件較為苛刻，只有在高溫、酸性狹小縫隙等條件下發生，因而一般條件下是沒有縫隙腐蝕或縫隙腐蝕微乎其微。

3 結論

（1）一般條件下，不同鈦合金材料縫隙腐蝕敏感性很小；但在高溫、酸性狹小縫隙等苛刻環境中（5mol·L-1NaCl，pH 2.8～3.2，沸騰狀態），不同鈦合金材料對聚四氟乙烯材料有一定的縫隙腐蝕敏感性；

（2）進行的7種不同鈦合金材料體系縫隙腐蝕測試中，對聚四氟乙烯縫隙腐蝕敏感性依次為Ti-Ni，TA7，TC4，TA2，Ti35，TA9和TA10。

［1］GB／T 13671-92不銹鋼縫隙腐蝕電化學試驗方法［S］.

［2］GB／T10127-2002不銹鋼三氯化鐵縫隙腐蝕試驗方法［S］.

［3］GB／T10124-88金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法［S］.

［4］趙永新，姚祿安，甘復興.鈦縫隙腐蝕行為的研究［J］.中國腐蝕與防護學報，1990，10（3）：252-258.

［5］趙繼紅.強酸環境下鈦合金耐蝕性研究［D］.西安：西北工業大學學士學位論文，2003.

［6］宋少杰，熊金平，唐聿明，等.鎳鈦合金磷酸鹽緩蝕溶液中的亞穩態點蝕行為［J］.腐蝕與防護，2010，31（11）：851-855.

［8］劉鳳嶺，李金桂，馮自修.鈦合金表面技術的進展［J］.腐蝕與防護，2001，22（2）：54-57.