化學成分及金相組織對純鈦自腐蝕電位的影響

李正佳,馬紅征,杜小平,何 偉(西部金屬材料股份有限公司 理化檢驗中心,西安 710016)

化學成分及金相組織對純鈦自腐蝕電位的影響

李正佳,馬紅征,杜小平,何 偉
(西部金屬材料股份有限公司 理化檢驗中心,西安 710016)

分析了采用自動焊及手工焊兩種方式焊接的TA2純鈦板焊縫及母材的化學成分、金相組織及其在海水介質中的自腐蝕電位。結果表明：自動焊焊縫試樣、手工焊焊縫試樣和母材試樣的自腐蝕電位相差不大。母材試樣與焊縫試樣的氣體元素(C,N)含量有較大差異；母材試樣的金相組織為單相等軸α組織，而焊縫試樣的金相組織為粗大鋸齒狀α相+少量針狀馬氏體組織;化學成分和金相組織對3種試樣在海水中自腐蝕電位的影響不大。

TA2;焊接;化學成分;金相組織;腐蝕電位

鈦及其合金具有優異的綜合性能,廣泛應用于航空、航天、化工、電力、醫療等領域。因具有良好的耐蝕性，鈦合金成為石油化工、化學工業、能源工業、醫藥等行業的裝備材料，在海洋工程中的應用增長迅速，已成為海洋環境中應用最成功的工程金屬[1-10]。焊接是鈦及其合金在制造設備時最常用的加工工藝之一，焊縫處的耐蝕性是影響設備最終使用壽命的一個重要因素。自腐蝕電位是評價材料耐蝕性的主要參數之一，與材料的化學成分、金相組織、熱處理工藝、變形與應力及表面狀態等因素有關。

本工作測試了自動焊及手動焊兩種焊接方式焊接TA2(純鈦板)試樣的焊縫及母材在海水中的自腐蝕電位，研究了化學成分及金相組織對TA2試樣自腐蝕電位的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用牌號TA2，厚6 mm的純鈦板，化學成分見表1。

表1 TA2的化學成分Tab. 1 Chemical composition of the TA2 %

1.2 試驗方法

TA2純鈦板采用自動焊和手動焊兩種方式焊接，焊縫寬度約為10 mm。分別在母材及焊縫區域采用慢走絲線切割法切取10 mm×10 mm或φ10 mm的試樣，試樣表面經水砂紙打磨至Ra0.6 μm以上，無水乙醇清洗后吹干待用。

采用2RA-1電偶腐蝕計測量試樣在海水(中性3.5% NaCl溶液)中的自腐蝕電位，參比電極為飽和甘汞電極(SCE),文中電位均相對于SCE。試驗溫度為(25±2) ℃，每隔24 h測量一次,試驗時間為9 d。以每組3個試樣自腐蝕電位的均值作為此種試樣的自腐蝕電位。自腐蝕電位測量試驗結束后,進一步打磨拋光試樣,并采用氫氟酸硝溶液侵蝕,然后在40MAT型金相顯微鏡下觀察其金相組織。

2 結果與討論

2.1 自腐蝕電位

由圖1可見:母材試樣和手動焊焊縫試樣的自腐蝕電位在試驗初期均有較大波動，而自動焊焊縫試樣的自腐蝕電位隨時間的波動則較小，但隨著試驗時間的延長，3組試樣的自腐蝕電位均逐漸趨于在較小范圍內波動直至穩定。TA2母材試樣,自動焊焊縫試樣和手動焊焊縫試樣的腐蝕電位分別為-153.73，-156.30，-155.73 mV。3種試樣的自腐蝕電位相差不大，母材試樣的略高，自動焊焊縫試樣的較低，手動焊焊縫試樣的則居中。

圖1 3種試樣自腐蝕電位隨時間的變化曲線Fig. 1 Ecorr-t curves of 3 samples

2.2 化學成分

由表1可見:母材試樣各項化學成分均在標準范圍內；自動焊焊縫試樣的C、N兩種元素含量超標，C元素超標25%，N元素超標67%；手動焊焊縫試樣的N元素含量超標，超標33%。可以看出,兩種焊接方式均給TA2材料的氣體元素含量帶來變化,導致C、N元素超標。三種試樣的氣體元素含量出現了差異，但其在海水中的自腐蝕電位卻相差不大，這表明對于TA2而言，氣體元素含量的差異對其在海水中自腐蝕電位的影響不大。

2.3 金相組織

由圖2可見:母材試樣為單相等軸的α組織，晶粒度6.0級。手動焊與自動焊焊縫試樣的金相組織均是邊界呈鋸齒狀的大晶粒，在晶粒內間或分布有針狀馬氏體。這是因為鈦的熔化溫度高、熱容量大、電阻系數大、熱導率比鋁、鐵等金屬低，使得鈦的焊接熔池具有更高的溫度和較大的熔池尺寸，熱影響區金屬在高溫下的停留時間長，易引起焊接接頭的過熱傾向，使晶粒變得十分粗大[11-14]。同時因為焊接時溫度過高(TA2相變溫度點882 ℃)，在隨后的冷卻過程中發生馬氏體相變即α-Ti→β-Ti→α′-Ti，使得焊縫組織為粗大鋸齒狀α相+少量針狀馬氏體組織[15-18]。3種試樣的金相組織差異較大，但其在海水中的自腐蝕電位相差不大，這表明金相組織差異對3種試樣在海水中自腐蝕電位的影響較小。

3 結論

(1) 自動焊及手動焊兩種焊接方式均會造成TA2焊縫氣體元素含量超標；

(2) 化學成分差異對TA2在海水中自腐蝕電位的影響不大；

(a) 母材試樣 (b) 手動焊焊縫試樣 (c) 自動焊焊縫試樣圖2 3種試樣的金相組織Fig. 2 Microstructure of 3 samples: (a) base metal sample, (b) weld metal of the manual welding sample, (c) weld metal of the automatic welding sample

(3) 組織形貌差異對TA2在海水中自腐蝕電位的影響不大；

(4) TA2自動焊及手動焊焊縫的組織均為粗大鋸齒狀α相+少量針狀馬氏體組織。

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Effects of Chemical Composition and Microstructure on the Free Corrosion Potential of Pure Titanium

LI Zhengjia, MA Hongzheng, DU Xiaoping, HE Wei
(Physics & Chemistry Inspection Center for Western Metal Materials Co., Ltd., Xi′an 710016, China)

Chemical composition, microstructure and corrosion potential in seawater of the base metal and two kinds of TA2 titanium plate prepared by automatic welding and manual welding were analyzed. The results showed that the free corrosion potentials of automatic welding seam sample, manual welding seam sample and base metal sample had a little difference. The content of gas elements (C, N) of base metal sample and weld metal sample were different. The microstructure of base metal is a single equiaxed α phase, while the weld is a thick, serrated α phase and a small amount of needle martensite. The effects of chemical composition and microstructure on self corrosion potential of 3 samples in seawater are little.

TA2; welding; chemical constituent; microstructure; corrosion potential

2015-12-20

西部材料創新基金(XBCL-2-10)

李正佳(1977-)，工程師，博士，主要從事鈦合金及難熔金屬的金相及物理性能測試,13609189778,lzj2002128@163.com

10.11973/fsyfh-201707009

TG174

A

1005-748X(2017)07-0526-03