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[1-3]。

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[4]。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[5]。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[6-7]。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[8-9]。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。

使用布魯克D8ADVANCE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5mol/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、試驗結果與分析

2.1XRD分析

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。

2.2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℃[10]，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86μm，950℃固溶時晶粒尺寸增大到了210μm，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[11]。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[12-13]；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[10]，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。

2.3電化學測試分析

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[11-15]。

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。

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。

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125μm，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。

（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1h，腐蝕速率為1.44×10-3mm/a。

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作者簡介： 孟亞閣 （ 1998 —）， 男， 石家莊鐵道大學在讀碩士研究生， 主要研究鈦合金的腐蝕與防護。