鈦-鋼爆炸復合板的耐腐蝕性能研究*

韓小敏，王少剛，黃 燕

(南京航空航天大學材料科學與技術學院,江蘇 南京 210016)

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鈦-鋼爆炸復合板的耐腐蝕性能研究*

韓小敏，王少剛，黃 燕

(南京航空航天大學材料科學與技術學院,江蘇 南京 210016)

采用爆炸焊接工藝制備了TA10/Q245R及TA10/Q345R兩種鈦-鋼復合板。分別采用靜態質量損失法、動電位極化曲線和交流阻抗譜測試方法，分析評價兩種爆炸復合板在人工海水溶液中的耐腐蝕性能，并與基板、復板材料的耐蝕性能進行了對比。結果表明，在室溫下的腐蝕介質中，TA10的平均腐蝕質量損失速率最小，為0.022 g/(m2·h)，兩種鈦-鋼復合板的平均腐蝕質量損失速率分別介于基板、復板之間。TA10/Q345R的質量損失速率低于TA10/Q245R，但在Q345R側發生了明顯的點蝕現象；電化學腐蝕測試結果表明，3種試樣的自腐蝕電流分別為0.562，93.90和67.07 μA。兩種鈦-鋼復合板的耐腐蝕性能略低于TA10，但仍具有較高的耐蝕性能，能滿足實際工程結構對鈦-鋼復合板的耐蝕性能要求。

鈦-鋼復合板 爆炸焊接 靜態質量損失法 動電位極化曲線 交流阻抗譜

鈦及鈦合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕性和高低溫性能好等優異的綜合性能，是航空航天、石油化工及海洋工程等領域中重要的結構材料。在工業生產中，為了節約鈦資源和降低產品的生產成本，對鈦-鋼復合板的需求越來越大。由于鈦與鋼之間在高溫時會生成多種金屬間化合物，因此采用常規的制備方法進行復合難度較大。采用爆炸焊接工藝制備的鈦-鋼復合板，其復層鈦板具有良好的耐腐蝕性，基層鋼板具有高強度，以及具有良好的抗疲勞和耐壓性，使產品的制造成本大幅度降低，鈦-鋼復合板已成為現代化學工業和壓力容器中應用廣泛的結構材料[1-2]。

在實際應用中，金屬腐蝕是設備及其結構件常見的失效形式之一，由此造成的經濟損失約占國民生產總值的1%～4%。其中，大約25%可通過采取有效的防腐蝕措施來加以避免。因此，有必要對鈦-鋼爆炸復合板的耐腐蝕性能進行研究。依據實際調研及文獻查詢[3-5]，目前，國內外有關鈦-鋼復合板的研究主要集中在爆炸焊接工藝參數、復合板界面的微觀結構和性能及后續熱處理工藝研究等方面，且鈦-鋼復合板的復板選擇主要為工業純鈦。通常純鈦的強度會隨著溫度的升高而降低，當溫度超過250 ℃時，其抗拉強度減小一半。用此類復合板作為結構材料時，在超過200 ℃的溫度下工作不夠安全。采用TA10鈦合金作為復板制備的復合板不僅可提高其高溫力學性能，而且對低pH值氯化物或弱還原性酸具有良好的抗縫隙腐蝕性能，其耐蝕性能顯著優于純鈦[6]。目前，以TA10作為復板的鈦-鋼爆炸復合板在腐蝕方面的研究還未見有文獻報道。由于爆炸焊接工藝過程復雜，影響因素眾多，有可能影響到復合板的耐腐蝕性能，因此，對鈦-鋼復合板的耐腐蝕性能進行分析評價，以期為復合板在實際生產中應用提供參考。

1 實驗材料與方法

試驗母材為以TA10鈦合金作為復板，以壓力容器廣泛使用的Q345R及Q245R低合金高強度鋼作為基板，采用爆炸焊接技術制備兩種鈦-鋼復合板。復板和基板的化學成分分別見表1和表2。分別采用靜態質量損失法測定鈦-鋼爆炸復合板在人工海水中的腐蝕質量損失速率；采用電化學腐蝕測試方法測定鈦-鋼爆炸復合板的動電位極化曲線和交流阻抗譜，并與TA10復板的耐蝕性能進行對比分析。具體的實驗方法及步驟如下：

表1 TA10鈦合金的化學成分 w，%

表2 Q245R及Q345R鋼的化學成分 w，%

(1)靜態質量損失法：分別制備成尺寸規格為10 mm×10 mm×13 mm的TA10/Q345R復合板試樣、10 mm×10 mm×15 mm的TA10/Q245R復合板試樣、10 mm×10 mm×3 mm的TA10試樣、10 mm×10 mm×10 mm的Q345R試樣、10 mm×10 mm×12 mm的Q245R試樣，然后在室溫條件下，分別將試樣放入人工海水中浸泡，人工海水的化學成分配比為：H2O(100 mL)+MgSO4(0.33 g)+MgCl2(0.23 g)+NaCl(2.67 g)。每隔3 d測試各試樣的質量損失，通過質量損失的情況來分析比較其耐腐蝕性能。

(2)動電位極化曲線：分別截取TA10鈦合金、爆炸焊接后獲得的兩種復合板的焊縫金屬腐蝕試樣作為工作電極。在試樣的背面用導電膠將其與銅絲導線連接，保持測試面面積為10 mm×10 mm，其余各面用A/B膠密封起來，如圖1所示。對腐蝕試樣的測試面分別進行砂紙打磨、拋光和清潔處理。利用CHI660D型電化學工作站分別測定3種試樣的Tafel曲線。電極系統采用3電極體系，飽和汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極，測試試樣為工作電極。以配置的人工海水作為導電介質溶液，測試在室溫下進行。在測試之前，先將試樣在溶液中浸泡40 min，使系統穩定，然后分別測試各試樣的動電位極化曲線，試驗中的掃描速率為0.001 V/s。

圖1 電化學腐蝕試樣

(3)電化學阻抗譜：對進行電化學動電位極化曲線測試后的試樣進行超聲清洗，以得到清潔的試樣測試面，然后對其進行電化學阻抗譜測量。在測試之前，先將清潔后的試樣在腐蝕介質中浸泡40 min，使開路電位穩定。電化學阻抗譜試驗中采用的參數為：施加交流正弦信號，幅值為5 mV，掃描速率為0.01 V/s，掃描頻率為105～10-2Hz。分別記錄試驗數據并分析，以得到各試樣的Nyquist圖和Bode圖。

2 結果與分析

2.1 質量損失腐蝕速率

圖2 試樣的質量損失腐蝕速率

從圖2中可以明顯看出，在室溫條件下，各試樣的平均腐蝕速率的大小為：TA10

圖3為各試樣浸泡18 d后的表面形貌照片。從圖3(a)中可以看出，TA10的耐腐蝕性良好，沒有產生明顯的孔蝕及應力腐蝕等；在圖3(b)和圖3(d)中上側均為TA10，下側為鋼。可以看出，在兩種復合板的鋼側均發生了相對嚴重的腐蝕，這主要是由于鈦和鐵之間存在電負性差，導致形成原電池效應。鈦由于電極電位較低成為陰極受到保護，而鋼則作為陽極受到腐蝕。雖然Q345R的腐蝕速率相比于Q245R的較低，但是從圖3(c)中可以看出Q345R側發生了明顯的點蝕。這主要是由于人工海水中Cl-半徑較小，穿透能力較強，并且能夠被金屬表面吸附；Cl-的存在會破壞鋼表面氧化膜的形成，隨著腐蝕的進行，自催化效應進一步加速了孔內鐵的溶解，從而形成了點蝕，文獻[9]中得到了類似的研究結果。

圖3 試樣在浸泡18 d后的腐蝕形貌

2.2 極化曲線

通過動電位極化曲線測試，可以判斷電極極化過程的特征，從而確定可能發生的電極反應、影響腐蝕的因素和腐蝕機理等。測得TA10及兩種鈦-鋼復合板在人工海水中的極化曲線如圖4所示，表3為計算得出的各自的自腐蝕電流和自腐蝕電位。

圖4 TA10及兩種鈦-鋼復合板的動電位極化曲線

腐蝕試樣TA10TA10/Q245RTA10/Q345R自腐蝕電位/V-0.085-0.497-0.482自腐蝕電流/μA0.56293.9067.07

由圖4中可見，各試樣在發生自腐蝕之前，首先進行的是陰極的析氫反應，生成的腐蝕產物對試樣表面有一定的保護作用。由于陰極過程主要由溶解氧的擴散過程控制[10]，腐蝕產物的形成阻礙溶解氧向金屬內部擴散，使陰極過程受到限制，表現為其電流密度逐漸下降；由于人工海水中的Cl-半徑較小，而具有很強的穿透性，造成腐蝕產物破壞，當試樣發生自腐蝕時，電流密度急劇上升，一旦有新的腐蝕產物形成并對試樣形成保護時，其腐蝕電流將趨于平穩。通常，材料的腐蝕電流越小，腐蝕電位越高，其耐腐蝕性能越強。由表3中的數據可知，TA10的耐腐蝕性最好，TA10/Q245R的耐腐蝕性相對最差；上述測試結果與靜態質量損失法的測試結果相一致。

2.3 電化學阻抗譜

電化學阻抗譜是一種以小振幅的正弦波電位為擾動信號的測量方法，它通過測得寬頻率范圍的阻抗譜來研究電極系統，從而得到更多關于電極界面結構等方面的信息。圖5、圖6分別為測得各試樣在人工海水中的電化學交流阻抗復平面(Nyquist)圖和Bode圖。從圖5中可以看出，各試樣在測試頻率范圍內均為單容抗弧，對應于電極表面腐蝕產物的電阻和電容。而兩種復合板的Nyquist圖由于頻率彌散效應的影響，其容抗弧均表現為一個近似的半圓，這表明試樣腐蝕主要由電荷的傳遞步驟所決定。容抗弧半徑通常表示試樣在腐蝕電位條件下，電荷從電極的表面遷移到介質表面的難易程度。容抗弧半徑值越大，則表示電荷遷移越困難。也就是說容抗弧的半徑越大，材料的耐腐性性能越好。可以看出，3種試樣的容抗弧半徑大小為：TA10>TA10/Q345R復合板>TA10/Q245R復合板。說明TA10的耐腐蝕性能好于TA10/Q345R復合板，TA10/Q245R的耐腐蝕性能相對較差。這是由于TA10表面在人工海水中會快速形成致密的氧化膜，阻礙腐蝕的進一步發生。

圖6為測得各試樣在人工海水中的Bode圖。從圖中可以看出，TA10在各頻率段的值均略大，值越大，說明試樣TA10表面鈍化膜對電荷遷移的阻力越大，其耐腐蝕性能越強。在中低頻區域(10-2～1 Hz)，TA10/Q345R爆炸復合板的均高于TA10/Q245R，而在中高頻區域，兩者相差不大。表明TA10/Q345R的耐腐蝕性要略優于TA10/Q245R，分析測試結果與前述的靜態質量損失法及動電位極化曲線測試相一致。雖然兩種鈦-鋼復合板的耐蝕性較TA10的有所降低，但降低幅度不大，在試驗條件下仍然表現出較高的耐腐蝕性能，能夠滿足實際工程應用對復合板耐蝕性能的要求。

圖5 試樣在人工海水中的Nyquist圖

圖6 試樣在人工海水中的Bode圖

3 結 論

(1)在室溫條件下的人工海水中，通過靜態質量損失法測得的各試樣的平均質量損失腐蝕速率大小為：TA10

(2)動電位極化曲線測得TA10,TA10/Q245R和TA10/Q345R的腐蝕電流分別為0.562,93.90及67.07 μA。電化學交流阻抗譜試驗進一步證實TA10的耐腐蝕最好，TA10/Q345R次之，TA10/Q245R相對較差。兩種鈦-鋼復合板較TA10的耐蝕性有所降低，但降低幅度不大，在試驗條件下仍然表現出較高的耐腐蝕性能，能夠滿足實際工程應用對復合板耐腐蝕性能的要求。

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(編輯 王維宗)

Study on Corrosion Resistance of Titanium-Steel Composite Plates With Explosive Welding

HanXiaomin,WangShaogang,HuangYan

(CollegeofMaterialScienceandTechnologyofNanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

Two types of composite plates i.e.TA10/Q245R and TA10/Q345R,are prepared by explosive welding respectively.The corrosion resistance of the two composite plates in artificial seawater is investigated by static weight loss method,dynamic potential polarization curve and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) method respectively,and it is compared with that of base plate and flyer plate.The results show that,under the conditions of corrosion?solution at ambient temperature,the average weight loss rate of TA10 is 0.022 g/m2·h，which is the lowest.The average weight loss rate of two types of Titanium-Steel composite plates is between the base plate and flyer plate.The weight loss rate of TA10/Q345R is lower than that of TA10/Q245R composite plates,but pitting corrosion phenomenon exists obviously at the side of Q345R.The results of electrochemical tests show that,the self-corrosion current of three samples are 0.562μA,93.90μA and 67.07μA.The corrosion resistance of two types of Titanium-Steel composite plates is slightly lower than that of TA10.Both of the two composite plates have higher corrosion resistance,and it can meet the requirements of corrosion resistance for engineering application.

titanium-steel composite plate,explosive welding,static weight loss method,dynamic potential polarization curve,electrochemical impedance spectroscopy

2015-09-14；修改稿收到日期：2016-01-25。

韓小敏(1990-)，在讀碩士，主要從事異種金屬的焊接工藝研究。E-mail：384215158@qq.com

江蘇高校優勢學科建設工程資助項目