TA2-Q345爆炸復合板的電化學腐蝕性能

翟偉國，王少剛，羅傳孝，夏鴻博

(南京航空航天大學材料科學與技術學院，江蘇南京210016)

鈦在酸性、堿性、中性鹽水溶液和氧化性介質(zhì)中具有很好的化學穩(wěn)定性，因此鈦被大量用于制作各種化學反應容器、熱交換器等許多耐腐蝕性產(chǎn)品，但工業(yè)純鈦的不足之處是其成本相對較高，而強度等力學性能仍不夠高。采用爆炸焊接方法生產(chǎn)的鈦-鋼復合板，兼有鈦的良好耐蝕性和普通鋼板的高強度的綜合性能特點，并且具有價格相對低廉的優(yōu)勢，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應用［1－3］。由于爆炸復合板在成型過程中，受到瞬時高溫、高壓作用，如果工藝措施控制不當，在復合板的界面結合處會出現(xiàn)合金元素擴散、熔化現(xiàn)象，導致出現(xiàn)合金元素偏析、析出脆性金屬間化合物、甚至形成微裂紋等缺陷，使其力學性能和耐蝕性能降低，嚴重影響復合板的使用性能［4－5］。依據(jù)實際調(diào)研及文獻查詢，目前有關爆炸焊接復合板的研究大多集中在基層與覆層材料之間的相互匹配、爆炸焊接工藝參數(shù)優(yōu)化以及復合板的微觀組織和力學性能分析測試等方面［6－7］。作為常用爆炸復合板中的一種，鈦-鋼復合板主要用于石油化工領域的反應塔、換熱器、石油輸運管道等設備，腐蝕失效是復合板結構較為常見的失效現(xiàn)象之一，國內(nèi)外有關爆炸復合板在腐蝕方面的研究報道還比較少見。下面采用電化學腐蝕測試方法對鈦-鋼爆炸復合板的動電位極化曲線和交流阻抗譜(Electrochemicalimpedancespectroscopy，EIS)進行測定，評價復合板的耐腐蝕性能，并從微觀角度分析復合板的顯微組織結構對其耐蝕性能的影響，以期為該類復合板在實際生產(chǎn)中應用提供參考。

1 實驗材料及方法

實驗研究對象為以4 mm厚TA2工業(yè)純鈦作為覆層，24 mm厚Q345低合金高強鋼作為基層，采用爆炸焊接方法制備的鈦-鋼復合板。工業(yè)純鈦TA2中的雜質(zhì)元素的質(zhì)量分數(shù)為:C≤0.10，F(xiàn)e≤0.30，N≤0.05，H≤0.015，O≤0.25;Q345 鋼的化學成分見表1。

表1 Q345低合金高強鋼的化學成分Table 1 Chemical compositions of Q345 low alloy high strength steel w，%

電化學腐蝕測試方法及步驟:分別截取TA2純鈦和爆炸焊接后獲得復合板的TA2側(cè)焊縫金屬腐蝕試樣作為研究電極。在試樣背面進行錫焊銅絲導線，保持電極工作面積為10 mm×10 mm，除工作面積外其余部分采用A/B膠進行固態(tài)封樣(制備的腐蝕試樣見圖1)。然后對電極工作表面進行砂紙打磨、拋光并清理表面雜質(zhì)、污漬。采用CHI660A型電化學工作站分別測定兩種試樣的Tafel極化曲線，電極采用常規(guī)的三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，電解液為人工海水，海水的成分配比為:H2O(100 mL)+NaCl(2.67 g)+MgCl2(0.23 g)+Mg2SO4(0.33 g)，實驗在室溫下進行，測試前，試樣先在溶液中浸泡約40 min，使整個系統(tǒng)穩(wěn)定，然后測量材料的動電位極化曲線，測試掃描速率為0.001 V/s。

圖1 電化學腐蝕試驗試樣Fig．1 Sample of electrochemical corrosion test

測量過動電位極化曲線后的試樣經(jīng)過重新清理，得到新鮮清潔的工作表面，進行電化學阻抗譜的測量，首先在腐蝕溶液中浸泡約40 min，使開路電位(OCP)穩(wěn)定，然后施加交流正弦激勵信號，幅值為5 mV，頻率掃描范圍為105～10－2Hz，掃描速率0.01 V/s，記錄實驗數(shù)據(jù)，對測定結果進行數(shù)據(jù)處理得到反映阻抗信息的 Nyquist圖和Bode圖。

為了分析探討復合板的微觀組織結構對其耐蝕性能的影響，沿TA2/Q345復合板爆轟波方向截取金相觀察試樣，依次進行砂紙打磨、拋光后，采用Keller試劑(成分配比為3 mL HF+6 mL HNO3+91 mL H2O)進行腐蝕，然后在MM6型光學金相顯微鏡下觀察復合板結合界面的顯微組織形貌;采用D8 Advance型X射線衍射儀測定界面復合區(qū)域的相結構組成。

2 實驗結果及分析

2.1 電化學腐蝕測試

2.1.1 極化曲線

測得TA2純鈦和TA2-Q345復合板鈦側(cè)焊縫區(qū)在人工海水中的動電位極化曲線見圖2。與此相對應的自腐蝕電流和自腐蝕電位見表2。

圖2 純鈦及鈦-鋼復合板的動電位極化曲線Fig．2 Potentiodynamic polarization curve of pure titanium and Titanium steel composite plate

表2 極化曲線測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of polarization curve

極化曲線測試結果表明，兩種試樣在腐蝕溶液中均表現(xiàn)出一定的鈍性。根據(jù)相關的腐蝕理論，最小腐蝕電流表示試樣在溶液中的抗腐蝕能力大小。一般來說腐蝕電流越小，材料表面的抗腐蝕能力就越強;而腐蝕電位越高，則材料表面的抗腐蝕能力也越強。由表2中可見，TA2純鈦母材的腐蝕電位較高，且腐蝕電流較低，因此純鈦母材的耐腐蝕能力較強。與覆層母材相比，鈦-鋼復合板的耐蝕性能略有降低，但下降幅度不大，仍表現(xiàn)出較高的抗腐蝕性能。

已有的研究表明，純鈦在酸性、堿性以及中性溶液中的耐腐蝕性能優(yōu)良，特別是對氯離子等腐蝕性介質(zhì)具有較強的抗蝕能力，這是因為在純鈦表面易形成牢固致密的氧化鈦鈍化膜。鈦-鋼爆炸復合板的耐蝕性能有所降低，結合本文后續(xù)的微觀組織結構分析，通常認為造成復合板耐蝕性能下降的原因主要有以下兩方面:一是在爆炸焊接過程中，界面結合處的金屬局部發(fā)生熔化，產(chǎn)生微觀組織偏析、甚至出現(xiàn)缺陷;二是在結合界面兩側(cè)，合金元素發(fā)生擴散現(xiàn)象，在復合板鈦一側(cè)析出含F(xiàn)e元素的新相。復合板在界面結合處缺陷的產(chǎn)生、新相的形成等使復合板在腐蝕環(huán)境下不能很好地被材料表面鈍化膜所保護，導致復合板的耐蝕性有所降低。

2.1.2 交流阻抗譜

測得的純鈦和鈦-鋼爆炸復合板在人工海水中的Nyquist圖見圖3。從圖3中可以看出，兩種試樣的容抗弧大小有一定差別，其中純鈦的容抗弧直徑較大，而鈦-鋼復合板試樣的容抗弧直徑相對較小，由此說明，純鈦母材表面的鈍化膜要比鈦-鋼復合板穩(wěn)定。測得的純鈦和鈦-鋼復合板的Bode圖見圖4。圖4其含義實質(zhì)上與Nyquist圖相一致，只是在表現(xiàn)形式上有所差別。從圖4可以看出，在低頻區(qū)，鈦母材試樣的|Z|值要比鈦-鋼復合板的|Z|值相對大些，而在中頻區(qū)和高頻區(qū)，兩者的|Z|值相差無幾，說明鈦的耐蝕性能比鈦-鋼復合板的要好，其表面的鈍化膜更完整，與圖3中的分析結果相一致?？傮w上來說，與覆層純鈦母材相比，本文中采用爆炸焊接方法制備的鈦-鋼復合板其耐腐蝕性能并未下降太多，從測試結果來看，鈦-鋼爆炸復合板具有較好的耐蝕性能，完全能夠滿足實際應用中對其耐腐蝕性能要求。

圖3 純鈦及鈦-鋼復合板在人工海水中的Nyquist圖Fig．3 The Nyquist picture of pure titanium and Titanium steel composite plate in artificial seawater

圖4 純鈦及鈦-鋼復合板在人工海水中的Bode圖Fig．4 The Bode picture of pure titanium and Titanium steel composite plate in artificial seawater

2.2 微觀結構對其耐蝕性能的影響

由于材料的微觀組織結構與其耐蝕性能密切相關，而爆炸復合板結合界面的微觀組織主要取決于其化學成分以及在爆炸焊接過程中所受的瞬時高溫高壓作用。在爆炸焊接時結合區(qū)域的受熱狀態(tài)通常表現(xiàn)為急冷急熱，在溫度和壓力的綜合作用下，金屬原子、離子和氣體分子等產(chǎn)生劇烈運動，相互之間發(fā)生碰撞，形成金屬射流，容易導致在結合界面處的微小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較大的化學成分變化、析出脆性相、以及產(chǎn)生微裂紋等缺陷。研究表明，在鈦-鋼復合板的爆炸焊接過程中，鐵與鈦在結合界面處可能形成FeTi和Fe2Ti等金屬間化合物，這些化合物如果大量存在將對材料的耐蝕性能造成很不利的影響。這是由于材料局部的化學成分不均勻、脆性金屬化合物的析出和各種缺陷容易在腐蝕溶液中形成微電池，進而造成電化學腐蝕［8］。因此，有必要對爆炸復合板的微觀組織結構進行分析研究。

拍攝的TA2/Q345復合板結合界面的金相組織照片見圖5。

圖5 鈦-鋼復合板界面金相組織照片F(xiàn)ig．5 Microstructure pictures of Titanium steel composite plate interface

圖5上部為TA2鈦板，下部為Q345鋼。從圖5可以看出，結合界面呈典型的爆轟波形狀，Q345鋼側(cè)的金屬晶粒被拉成流線型，晶粒較細小，這是由于在爆炸焊接過程中，受到急冷急熱的熱循環(huán)作用使晶粒發(fā)生重結晶現(xiàn)象，組織得到細化，如圖5(a)中所示;TA2鈦側(cè)靠近焊縫區(qū)的晶粒沿爆轟方向被拉長呈流線形，且距界面越近變形程度越大，在漩渦處的晶粒變形最為嚴重，且有較多黑色熔融物產(chǎn)生，如圖5(b)中所示。晶粒發(fā)生較大程度的變形有可能形成新的化合物，同時在界面區(qū)域TA2側(cè)出現(xiàn)大量黑色斜線，稱之為絕熱剪切線，為爆炸焊接中產(chǎn)生的塑性變形線，說明這一側(cè)焊縫金屬產(chǎn)生了較大的殘余應力，結合界面處新相的形成和殘余應力的產(chǎn)生都會對復合板的耐蝕性能產(chǎn)生一定影響。

此外，由于材料組織中金屬間化合物的形成會對其耐蝕性能造成較大影響，因此分別對爆炸焊接前TA2母材和焊后復合板鈦側(cè)焊縫區(qū)進行X射線衍射相結構組成分析，測試結果如圖6所示。

圖6 鈦-鋼爆炸復合板的XRD圖譜Fig．6 XRD patterns of Titanium steel composite plate

對比圖6中(a)和(b)XRD分析結果，覆層鈦板僅由單一α-Ti相組成，具有優(yōu)異的耐蝕性能;而復合板結合界面靠近鈦側(cè)焊縫區(qū)由α-Ti和α-Fe兩相組成，這是由于爆炸焊接時，在結合界面處產(chǎn)生了復雜的冶金過程，局部發(fā)生熔化，F(xiàn)e和C等合金元素從Q345側(cè)向鈦一側(cè)擴散，以至于在鈦側(cè)形成了新相。在腐蝕環(huán)境中，這些新相形成的區(qū)域?qū)蔀槟臀g薄弱區(qū)域，易于形成微電池，腐蝕現(xiàn)象將會優(yōu)先在這些部位發(fā)生。不過從圖6(b)中可以看出，α-Fe相的衍射峰強度較小，說明形成的新相含量很少，盡管通過爆炸焊接獲得復合板的耐腐蝕性能有所下降，但是并未在結合界面處檢測到對腐蝕性能造成較大不利影響的鐵與鈦中間化合物。

綜上所述，盡管在爆炸焊接過程中難以避免地出現(xiàn)了合金元素擴散、新相析出和絕熱剪切線形成等現(xiàn)象，但由于數(shù)量少且分散，這些不利因素并未嚴重影響到鈦-鋼復合板的耐蝕性能。從前述的電化學腐蝕實驗中可以看到，本文中的鈦-鋼復合板具有較好的耐蝕性能，能夠滿足實際工程結構對其耐腐蝕性能要求。

3 結論

(1)電化學腐蝕測試結果表明，TA2純鈦和TA2-Q345爆炸復合板在人工海水中均出現(xiàn)鈍性特征，TA2純鈦的自腐蝕電流較小，表面鈍化膜較為完整，雖然爆炸焊接使鈦-鋼復合板鈦側(cè)的耐蝕性有所降低，但下降的幅度不大，仍表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性，能夠滿足實際應用對復合板的耐腐蝕性能要求;

(2)結合界面微觀組織結構分析顯示，在TA2-Q345爆炸結合界面處發(fā)生的合金元素擴散、缺陷的產(chǎn)生，以及在靠近TA2側(cè)焊縫區(qū)中α-Fe新相的形成等是造成鈦-鋼復合板耐蝕性能有所降低的主要原因。

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