鈦合金活塞體表面剝蝕原因分析

張秋穎 馬天驕

摘 要：氫氣壓縮機使用的鈦合金活塞體表面嚴重剝蝕，經過各項檢測分析，得出活塞體剝蝕主要是由于鈦合金在氫氣環境發生了氫脆，氫化物集中在活塞體環槽表面，造成了活塞體表面脆性氫化物剝落。

關鍵詞：活塞體;鈦合金;剝蝕;氫脆

中圖分類號：TK422 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）13-0047-02

0 概述

某用戶現場使用的氫氣壓縮機在工藝運行20天左右時，出現了氣缸劇烈振動導致機組報警停機的狀況，對壓縮機進行拆缸蓋檢修，抽出活塞體后發現了活塞體表面已經完全損壞，活塞環槽全部消失（見圖1）。據現場了解和資料顯示，本次氫氣壓縮機項目使用的活塞體材料為鈦合金，氣缸的進排氣溫度均在100℃以下，由于第一次出現這樣嚴重的活塞體損壞現象，需要根據已知情況對活塞體進行檢測分析。

1 檢測分析

由于活塞體出現了嚴重的剝蝕現象，表面環槽全部剝蝕不見，拆卸后對損壞最為嚴重的活塞體進行了以下檢測分析，以下分析的所有取樣均來自同一活塞體。

1.1 活塞體材料檢測

在活塞體損壞處取樣，利用X射線熒光光譜儀進行材質的化學成分復檢，活塞體主要成分見表1，分析結果為此活塞體材料確為鈦合金TC4，即活塞體材料與資料顯示相同。

1.2 活塞體含氫量檢測

對活塞體進行取樣，制成直徑4mm的試棒，經TCH600儀器檢測，試棒氫含量為2700ppm。

1.3 活塞體宏觀檢測

取樣活塞體表面已嚴重損壞，活塞環槽完全剝蝕，見圖2。

1.4 活塞體金相組織檢測

在活塞體環槽位置取金相樣品，磨制金相樣品后在金相顯微鏡及掃描電鏡下觀察其組織形貌。樣品由兩相組織構成，外表面有氫化物析出，其組織形貌見圖3、圖4、圖5。

1.5 力學性能檢測

力學性能測試時，樣品以脆斷方式斷裂，因此未能檢測出延伸率和斷面收縮率具體見表2，樣品的沖擊性能很差，斷口為脆斷形貌，同時拉伸強度和屈服強度都有所下降，鈦合金TC4材料的力學性能見表3。

1.6 斷口檢測

取樣品的沖擊及拉伸斷口，在掃描電鏡下觀察其斷口形貌，端口上均表現出沿晶斷裂斷口形貌特征。斷口形貌見圖6、圖7。

1.7 XRD檢測

在樣品剝蝕嚴重處取樣，制備成XRD樣品，經XRD檢測，樣品由氫化物析出。

2 檢測結果分析

樣品金相組織、斷口形貌、氫含量及氫化物的檢出都說明活塞體是在氫介質環境下發生了氫脆。氫化物集中在活塞體表面，造成了活塞體表面脆性氫化物剝落。

鈦合金是一種極易吸氫的材料，比較容易析出鈦的氫化物。浸入少量的氫就有可能嚴重影響鈦合金的機械性能，鈦中的氫含量直接影響著鈦的氫脆敏感性。氫在鈦中有一定的固溶度，該固溶度存在最大臨界值，TC4中氫的固溶度大約為0.012wt%左右。氫的敏感性影響是有一定范圍的，隨著氫含量的增大而增大。當氫含量超過了鈦合金材料中氫的固溶度時，氫就有可能與鈦結合生成氫化鈦。當鈦氫化物的量達到一定程度，鈦基體的塑形韌性就會顯著降低，并在外加應力的作用下，鈦合金發生塑形變形，并從氫化物的富集區開始發生脆性斷裂。

鈦合金發生脆性的過程實質上就是氫在鈦中積聚生成TiHx鈦氫化物，并在鈦基體重滲透擴散，最后導致脆性開裂的過程。氫在鈦中的擴散滲透過程包括三種進程：一是滲入鈦基體中的氫與鈦氫化合物自身分解的氫在氫壓的推動作用下在鈦基體內的擴散過程;二是氫被位錯所攜帶一同運動而進行的擴散過程;三是鈦氫化合物的生成和遷移過程。

鈦合金表面污染對氫脆也有影響，若鈦合金表面受金屬鐵污染時，會增大鈦的吸氫量，因為鐵可以和鈦基體形成腐蝕微電池，增加了氫進入的活性點和活性通道。鈦合金表面不潔凈，造成金屬表面劃傷會破壞鈦合金的表面氧化膜，無氧化膜保護則會加重氫腐蝕。

溫度對鈦合金氫致裂紋長大速度有很大的影響，在較低的溫度范圍內，溫度升高，氫的擴散速度加快，裂紋擴展更快;在較高的溫度范圍內，由鈦的氫化物形成的放熱反應，溫度升高使氫化物成核困難，從而降低了裂紋的擴散速度。

3 結語

鈦合金由于強度高，耐腐蝕性強及高溫下的良好性能越來越多的被化工行業關注，作為一種優質的防腐蝕材料，今后在壓縮機行業會得到廣泛應用。避免鈦合金發生氫脆反應是鈦合金應用的首要條件，而完全阻斷鈦合金與氫離子接觸是很難的，因此只能通過以下一些措施來有效的減少或防止清脆失效。

（1）工藝條件，避免將鈦合金直接應用于氫氣或含有氫離子的環境;（2）強化處理，對鈦合金設備及零部件進行氧化處理、陽極硬化、化學氧化、離子氮化等，通過加厚或強化氧化膜等阻斷與氫離子的接觸。（3）退火處理，對鈦合金冷熱加工后的零部件進行真空退火，消除應力使成等軸晶粒，對抗氫脆有利。對經過一段時間運行后的吸氫零件也可進行真空退火脫氫處理。（4）保持清潔，安裝或檢修時要保持零件表面潔凈，避免鐵污染，嚴禁使用鋼制工具進行敲打、緊固或除污，定期進行酸洗除垢。（5）結構設計合理，設計結構時避免留有縫隙或滯留死角，防止氫離子堆積。（6）加強檢測，加強化工鈦合金設備的無損檢測，除常規壓力容器檢測方法外，還應進行現場的覆膜金相分析，這是至今無損檢測鈦合金設備吸氫與氫脆的較為有效的方法。

鈦合金作為壓縮機行業的一種新型材料，一直沒有被特別研究及關注，通過對這次事故中損壞的活塞體的全面分析，對鈦合金有了進一步了解，對于鈦合金在壓縮機行業的應用和推廣極為重要。

參考文獻

[1] 陳永定，等.金屬和合金中的氫[M].北京：冶金工業出版社，1988.

[2] 黃顯亞，等.鈦合金應用腐蝕開過程中氫的作用[J].中國腐蝕與防護學報，1984（1）：41-45.

[3] 朱祖芳.有色金屬的耐腐蝕性及其應用[M].北京：化學工業出版社，1995.

[4] 化學工業部化工機械研究院.化工生產裝置的腐蝕與防護[M].北京：化學工業出版社，1991.