固溶時效處理對TB5 鈦合金組織和電化學腐蝕行為的影響*

鈦合金因具有優異的耐腐蝕性能和較高的比強度等特點， 被廣泛應用于航空航天、 船舶和生物醫療等行業。 20 世紀90 年代， 國外就已經實現了鈦合金管材在石油天然氣行業的應用

。目前， 在日本、 美國和歐洲等國家和地區， 鈦焊管在很多領域正在逐步取代鈦無縫管和其他管材， 被廣泛應用在石油能源工業、 冶金工業、 汽車工業等工程中

。 另外， 水資源缺乏已成為全世界最為關注和迫切需要解決的重要問題之一，在解決沿海地區淡水資源緊張的諸多方法中， 海水淡化是一種切實可行的有效方法， 而鈦焊管是蒸餾海水淡化換熱管的首選材料

。 由于鈦焊管具有優異的耐腐蝕性， 可將其用于石油精煉的熱交換器、 蒸餾塔、 反應器等， 會大幅度降低設備的維修維護成本， 提高設備的使用壽命， 因此鈦焊管在石油化工行業的應用將成為必然的發展趨勢

。 隨著我國的經濟飛速發展， 也迫切需要在石油天然氣的開采中使用更耐腐蝕的管材， 因此近年來也努力嘗試將鈦焊管應用于石化行業。

我國對鈦合金焊管在石油天然氣方面的應用還處于初始階段， 在研制和應用中還存在很多問題， 2015 年超深高含硫氣井才首次使用鈦合金油管

。 本研究以TB5 鈦合金為研究對象， 分析研究了熱處理對TB5 鈦合金電化學腐蝕性能的影響， 通過試驗得出更合理的熱處理工藝， 為TB5 鈦合金在石油天然氣焊管中的應用提供一定的參考依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

從TB5 鈦合金管材上截取試樣， 其化學成分見表1。

1.2 試驗方法

根據TB5 鈦合金α-β 相轉變溫度區間（755～800 ℃）， 將TB5 鈦合金試樣分為7 組來分別做固溶和時效處理， 熱處理的工藝參數見表2。

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圖1 所示為3 組固溶數據和4 組時效數據的XRD 分析圖， 可看出XRD 圖譜由β 相和次生α 相組兩種衍射峰組成， 固溶處理的3 組樣品以及時效溫度為400 ℃和450 ℃時試樣XRD衍射峰中全是β 相， 晶面指數分別為 （110）、（200）、（211）， 無α 相衍射峰出現。 當時效溫度為500 ℃時圖譜中出現了明顯的α 相衍射峰， 晶面指數分別為 （100）、（101）、（102）、（110）。 圖2 所示為XRD 圖譜的局部放大圖，可以看到當時效溫度達到550 ℃時， 晶面指數為 （100） 和 （101） 的次生α 相衍射峰強度較500 ℃時降低。 并且晶面指數為（102）和（110）的次生相基本完全溶解。 說明次生α 相含量隨著時效溫度的升高先增多， 到500 ℃時含量達到最多， 大于500 ℃后次生相的含量又開始減少。

2 試驗結果與分析

2.1 XRD 分析

使用布魯克D8 ADVANCE 系列衍射儀對7 組試樣進行物相分析來獲得TB5 鈦合金的物相組成； 試樣經過制樣、 打磨、 拋光處理后使用徠卡DMi8 金相顯微鏡來觀察各組TB5 鈦合金試樣的微觀組織結構； 電化學試驗采用的儀器是RST5000 系列電化學工作站， 試驗過程中OCP、EIS、 Tafel 試驗所用到的溶液均為質量分數3.5%的氯化鈉溶液， 點蝕用到的溶液是5 mol/L 的鹽酸溶液， 鹽酸溶液的配置要使用市場上36%的工業鹽酸與去離子水以體積比1∶2.4 進行配置， 最終獲得不同熱處理條件下試樣耐腐蝕性能數據。

2.2 金相分析

圖3 所示為固溶處理試樣的金相照片， 可看出TB5 鈦合金固溶處理后為單一的β 相組織，這與理論相吻合， 根據鈦合金的相變點公式可以算出其相變點溫度大約為755 ℃

， 為確保固溶溫度在其相變點之上， 試驗最低固溶溫度取為800 ℃， 此時鈦合金中的α 相完全轉變成β 相。此外還可以看出， 隨著固溶溫度的升高， TB5 鈦合金的晶粒尺寸越來越大， 800 ℃固溶時晶粒尺寸為86 μm， 950 ℃固溶時晶粒尺寸增大到了210 μm， 由此可見在TB5 鈦合金相變點以上的固溶處理效果為改變晶粒尺寸， 且固溶溫度越高晶粒尺寸越大。

圖6 所示為7 組試樣經過擬合后的阻抗譜Nyqust 圖， 可以看出時效處理后的TB5 鈦合金的圓弧曲率半徑均比固溶處理的圓弧半徑大， 代表著時效后的試樣耐腐蝕性能更好。 從3 條固溶圓弧線來看， 耐腐蝕性能的強弱由大到小對應的固溶溫度依次為800 ℃、 850 ℃和950 ℃， 這與Tafel 測試得到的結論一致。 圖6中圓弧曲率半徑最大的是500 ℃時效的試樣， 呈現出的規律為隨著時效溫度的提高， 材料的耐腐蝕性能先增大后減小， 有一個峰值， 這與此前的Tafel 測試結果也符合。

圖4 所示為時效處理后的各組金相照片，當固溶溫度過高時會導致β 晶粒迅速長大， 晶界體積相應減少， 這樣會使TB5 鈦合金試樣一些性能降低， 并且可能產生β 脆性相

。 為了保證試樣良好的力學性能， 以便對其之后的耐腐蝕性能的研究， 選取800 ℃為固溶溫度， 在此固溶溫度基礎上進行時效。 根據金相照片，400 ℃時效處理的組織仍為單一的β 相組織，這是由于時效溫度較低， 析出次生α 相是一個很慢的過程， 組織反應速度慢， β 相還來不及析出次生α 相

； 當時效溫度達到500 ℃時可以觀察出晶粒組織中析出大量的α 相， 并且分布均勻， 幾乎彌漫了全部的晶界； 繼續提高時效溫度， 當時效溫度為550 ℃時， 次生相的含量比500 ℃時少了很多， 這是因為TB5 鈦合金在時效過程中同時存在次生相的析出和溶解， 當時效溫度過大時次生相的溶解速度將會大于其析出速度

， 在之前晶粒中存在的彌散的次生相將會重新溶解到β 相中。

表3 和圖5 為Tafel 測試結果， 測試溶液為質量分數3.5%的NaCl 溶液。 可以看到固溶的3 組試樣腐蝕電位和腐蝕電流密度有明顯的趨勢， 隨著固溶溫度的升高， 腐蝕電位越來越低， 腐蝕電流密度越來越高， 表明晶粒越小越耐腐蝕， 這是因為晶界面積越大， 晶界體積分數越高， 必然會提供更多的活性位點， 迅速形成保護鈍化層

。通過對比4 組時效Tafel 數據與3 組固溶數據，可以發現時效后的試樣腐蝕電位基本都有明顯的提升， 另外腐蝕電流密度也有明顯下降。 對比時效的4 組數據可以看出， 材料的耐腐蝕性隨著時效溫度的升高呈現出先升高后下降的趨勢。 綜合上述規律可以看出， TB5 鈦合金經過時效后的耐腐蝕性優于固溶處理， 且耐腐蝕性強弱與次生相的多少有關， 次生相越多TB5 鈦合金的耐腐蝕性能越好。

2.3 電化學測試分析

基于分數階阻抗模型的磷酸鐵鋰電池荷電狀態估計//孫國強,任佳琦,成樂祥,朱瑛,衛志農,臧海祥//(23):57

1.5 資料收集與質量控制 為了使統計結果更準確，由1名不參加本研究的心理技師，分別采用中文版共情疲勞量表、護士職業認同評定量表對兩組護士進行評定。第1次評定在兩組成員干預前1 d，收集兩組成員基線資料的時候，第2次是在干預結束當天。兩組成員都進行2次效果測評。由心理技師發放問卷，統一指導語，集中施測，現場發放及回收問卷，保證問卷填寫真實有效。對有疑問的條目，施測者做不加暗示性解釋，問卷由被測者獨立完成。共發放106份問卷，收回有效問卷106份，有效回收率100%。

3 結 論

（1） 隨著固溶溫度的提高， TB5 鈦合金的晶粒尺寸逐漸變大， 950 ℃固溶處理比800 ℃固溶的尺寸增大了約125 μm， TB5 鈦合金的耐腐蝕性隨晶粒尺寸的增大而降低。

（2） 由于次生α 相的析出， TB5 試樣經過時效后的耐腐蝕性能要比經過固溶處理的顯著提升， 樣品耐腐蝕性能隨時效溫度的提高呈現先上升后下降的趨勢。

在關稅普遍存在和全球經濟一體化的大背景下，盡管一些國家或地區的自由貿易園區依靠自身的特性發展形成了離岸金融服務等功能，但全球自由貿易園區的基本功能幾乎都是“制造加工+轉口貿易”。此外，便于被視為“在關境之外”，自由貿易園區通常選址于具有離岸地理優勢的海港城市，形成了“一線放開，二線管住，區內自由”的海關監管特性。

（3） 耐電化學腐蝕性能最優的熱處理工藝是800 ℃固溶+500 ℃時效、 保溫1 h， 腐蝕速率為1.44×10

mm/a。

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