鈦-鋼爆炸復(fù)合板的耐腐蝕性能研究*

韓小敏，王少剛，黃 燕

(南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210016)

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鈦-鋼爆炸復(fù)合板的耐腐蝕性能研究*

韓小敏，王少剛，黃 燕

(南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210016)

采用爆炸焊接工藝制備了TA10/Q245R及TA10/Q345R兩種鈦-鋼復(fù)合板。分別采用靜態(tài)質(zhì)量損失法、動(dòng)電位極化曲線和交流阻抗譜測(cè)試方法，分析評(píng)價(jià)兩種爆炸復(fù)合板在人工海水溶液中的耐腐蝕性能，并與基板、復(fù)板材料的耐蝕性能進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，在室溫下的腐蝕介質(zhì)中，TA10的平均腐蝕質(zhì)量損失速率最小，為0.022 g/(m2·h)，兩種鈦-鋼復(fù)合板的平均腐蝕質(zhì)量損失速率分別介于基板、復(fù)板之間。TA10/Q345R的質(zhì)量損失速率低于TA10/Q245R，但在Q345R側(cè)發(fā)生了明顯的點(diǎn)蝕現(xiàn)象；電化學(xué)腐蝕測(cè)試結(jié)果表明，3種試樣的自腐蝕電流分別為0.562，93.90和67.07 μA。兩種鈦-鋼復(fù)合板的耐腐蝕性能略低于TA10，但仍具有較高的耐蝕性能，能滿足實(shí)際工程結(jié)構(gòu)對(duì)鈦-鋼復(fù)合板的耐蝕性能要求。

鈦-鋼復(fù)合板 爆炸焊接 靜態(tài)質(zhì)量損失法 動(dòng)電位極化曲線 交流阻抗譜

鈦及鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性和高低溫性能好等優(yōu)異的綜合性能，是航空航天、石油化工及海洋工程等領(lǐng)域中重要的結(jié)構(gòu)材料。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了節(jié)約鈦資源和降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，對(duì)鈦-鋼復(fù)合板的需求越來(lái)越大。由于鈦與鋼之間在高溫時(shí)會(huì)生成多種金屬間化合物，因此采用常規(guī)的制備方法進(jìn)行復(fù)合難度較大。采用爆炸焊接工藝制備的鈦-鋼復(fù)合板，其復(fù)層鈦板具有良好的耐腐蝕性，基層鋼板具有高強(qiáng)度，以及具有良好的抗疲勞和耐壓性，使產(chǎn)品的制造成本大幅度降低，鈦-鋼復(fù)合板已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)和壓力容器中應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)材料[1-2]。

在實(shí)際應(yīng)用中，金屬腐蝕是設(shè)備及其結(jié)構(gòu)件常見(jiàn)的失效形式之一，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)民生產(chǎn)總值的1%～4%。其中，大約25%可通過(guò)采取有效的防腐蝕措施來(lái)加以避免。因此，有必要對(duì)鈦-鋼爆炸復(fù)合板的耐腐蝕性能進(jìn)行研究。依據(jù)實(shí)際調(diào)研及文獻(xiàn)查詢[3-5]，目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)鈦-鋼復(fù)合板的研究主要集中在爆炸焊接工藝參數(shù)、復(fù)合板界面的微觀結(jié)構(gòu)和性能及后續(xù)熱處理工藝研究等方面，且鈦-鋼復(fù)合板的復(fù)板選擇主要為工業(yè)純鈦。通常純鈦的強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高而降低，當(dāng)溫度超過(guò)250 ℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度減小一半。用此類復(fù)合板作為結(jié)構(gòu)材料時(shí)，在超過(guò)200 ℃的溫度下工作不夠安全。采用TA10鈦合金作為復(fù)板制備的復(fù)合板不僅可提高其高溫力學(xué)性能，而且對(duì)低pH值氯化物或弱還原性酸具有良好的抗縫隙腐蝕性能，其耐蝕性能顯著優(yōu)于純鈦[6]。目前，以TA10作為復(fù)板的鈦-鋼爆炸復(fù)合板在腐蝕方面的研究還未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道。由于爆炸焊接工藝過(guò)程復(fù)雜，影響因素眾多，有可能影響到復(fù)合板的耐腐蝕性能，因此，對(duì)鈦-鋼復(fù)合板的耐腐蝕性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以期為復(fù)合板在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑橐訲A10鈦合金作為復(fù)板，以壓力容器廣泛使用的Q345R及Q245R低合金高強(qiáng)度鋼作為基板，采用爆炸焊接技術(shù)制備兩種鈦-鋼復(fù)合板。復(fù)板和基板的化學(xué)成分分別見(jiàn)表1和表2。分別采用靜態(tài)質(zhì)量損失法測(cè)定鈦-鋼爆炸復(fù)合板在人工海水中的腐蝕質(zhì)量損失速率；采用電化學(xué)腐蝕測(cè)試方法測(cè)定鈦-鋼爆炸復(fù)合板的動(dòng)電位極化曲線和交流阻抗譜，并與TA10復(fù)板的耐蝕性能進(jìn)行對(duì)比分析。具體的實(shí)驗(yàn)方法及步驟如下：

表1 TA10鈦合金的化學(xué)成分 w，%

表2 Q245R及Q345R鋼的化學(xué)成分 w，%

(1)靜態(tài)質(zhì)量損失法：分別制備成尺寸規(guī)格為10 mm×10 mm×13 mm的TA10/Q345R復(fù)合板試樣、10 mm×10 mm×15 mm的TA10/Q245R復(fù)合板試樣、10 mm×10 mm×3 mm的TA10試樣、10 mm×10 mm×10 mm的Q345R試樣、10 mm×10 mm×12 mm的Q245R試樣，然后在室溫條件下，分別將試樣放入人工海水中浸泡，人工海水的化學(xué)成分配比為：H2O(100 mL)+MgSO4(0.33 g)+MgCl2(0.23 g)+NaCl(2.67 g)。每隔3 d測(cè)試各試樣的質(zhì)量損失，通過(guò)質(zhì)量損失的情況來(lái)分析比較其耐腐蝕性能。

(2)動(dòng)電位極化曲線：分別截取TA10鈦合金、爆炸焊接后獲得的兩種復(fù)合板的焊縫金屬腐蝕試樣作為工作電極。在試樣的背面用導(dǎo)電膠將其與銅絲導(dǎo)線連接，保持測(cè)試面面積為10 mm×10 mm，其余各面用A/B膠密封起來(lái)，如圖1所示。對(duì)腐蝕試樣的測(cè)試面分別進(jìn)行砂紙打磨、拋光和清潔處理。利用CHI660D型電化學(xué)工作站分別測(cè)定3種試樣的Tafel曲線。電極系統(tǒng)采用3電極體系，飽和汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極，測(cè)試試樣為工作電極。以配置的人工海水作為導(dǎo)電介質(zhì)溶液，測(cè)試在室溫下進(jìn)行。在測(cè)試之前，先將試樣在溶液中浸泡40 min，使系統(tǒng)穩(wěn)定，然后分別測(cè)試各試樣的動(dòng)電位極化曲線，試驗(yàn)中的掃描速率為0.001 V/s。

圖1 電化學(xué)腐蝕試樣

(3)電化學(xué)阻抗譜：對(duì)進(jìn)行電化學(xué)動(dòng)電位極化曲線測(cè)試后的試樣進(jìn)行超聲清洗，以得到清潔的試樣測(cè)試面，然后對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測(cè)量。在測(cè)試之前，先將清潔后的試樣在腐蝕介質(zhì)中浸泡40 min，使開(kāi)路電位穩(wěn)定。電化學(xué)阻抗譜試驗(yàn)中采用的參數(shù)為：施加交流正弦信號(hào)，幅值為5 mV，掃描速率為0.01 V/s，掃描頻率為105～10-2Hz。分別記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并分析，以得到各試樣的Nyquist圖和Bode圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失腐蝕速率

圖2 試樣的質(zhì)量損失腐蝕速率

從圖2中可以明顯看出，在室溫條件下，各試樣的平均腐蝕速率的大小為：TA10

圖3為各試樣浸泡18 d后的表面形貌照片。從圖3(a)中可以看出，TA10的耐腐蝕性良好，沒(méi)有產(chǎn)生明顯的孔蝕及應(yīng)力腐蝕等；在圖3(b)和圖3(d)中上側(cè)均為TA10，下側(cè)為鋼。可以看出，在兩種復(fù)合板的鋼側(cè)均發(fā)生了相對(duì)嚴(yán)重的腐蝕，這主要是由于鈦和鐵之間存在電負(fù)性差，導(dǎo)致形成原電池效應(yīng)。鈦由于電極電位較低成為陰極受到保護(hù)，而鋼則作為陽(yáng)極受到腐蝕。雖然Q345R的腐蝕速率相比于Q245R的較低，但是從圖3(c)中可以看出Q345R側(cè)發(fā)生了明顯的點(diǎn)蝕。這主要是由于人工海水中Cl-半徑較小，穿透能力較強(qiáng)，并且能夠被金屬表面吸附；Cl-的存在會(huì)破壞鋼表面氧化膜的形成，隨著腐蝕的進(jìn)行，自催化效應(yīng)進(jìn)一步加速了孔內(nèi)鐵的溶解，從而形成了點(diǎn)蝕，文獻(xiàn)[9]中得到了類似的研究結(jié)果。

圖3 試樣在浸泡18 d后的腐蝕形貌

2.2 極化曲線

通過(guò)動(dòng)電位極化曲線測(cè)試，可以判斷電極極化過(guò)程的特征，從而確定可能發(fā)生的電極反應(yīng)、影響腐蝕的因素和腐蝕機(jī)理等。測(cè)得TA10及兩種鈦-鋼復(fù)合板在人工海水中的極化曲線如圖4所示，表3為計(jì)算得出的各自的自腐蝕電流和自腐蝕電位。

圖4 TA10及兩種鈦-鋼復(fù)合板的動(dòng)電位極化曲線

腐蝕試樣TA10TA10/Q245RTA10/Q345R自腐蝕電位/V-0.085-0.497-0.482自腐蝕電流/μA0.56293.9067.07

由圖4中可見(jiàn)，各試樣在發(fā)生自腐蝕之前，首先進(jìn)行的是陰極的析氫反應(yīng)，生成的腐蝕產(chǎn)物對(duì)試樣表面有一定的保護(hù)作用。由于陰極過(guò)程主要由溶解氧的擴(kuò)散過(guò)程控制[10]，腐蝕產(chǎn)物的形成阻礙溶解氧向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，使陰極過(guò)程受到限制，表現(xiàn)為其電流密度逐漸下降；由于人工海水中的Cl-半徑較小，而具有很強(qiáng)的穿透性，造成腐蝕產(chǎn)物破壞，當(dāng)試樣發(fā)生自腐蝕時(shí)，電流密度急劇上升，一旦有新的腐蝕產(chǎn)物形成并對(duì)試樣形成保護(hù)時(shí)，其腐蝕電流將趨于平穩(wěn)。通常，材料的腐蝕電流越小，腐蝕電位越高，其耐腐蝕性能越強(qiáng)。由表3中的數(shù)據(jù)可知，TA10的耐腐蝕性最好，TA10/Q245R的耐腐蝕性相對(duì)最差；上述測(cè)試結(jié)果與靜態(tài)質(zhì)量損失法的測(cè)試結(jié)果相一致。

2.3 電化學(xué)阻抗譜

電化學(xué)阻抗譜是一種以小振幅的正弦波電位為擾動(dòng)信號(hào)的測(cè)量方法，它通過(guò)測(cè)得寬頻率范圍的阻抗譜來(lái)研究電極系統(tǒng)，從而得到更多關(guān)于電極界面結(jié)構(gòu)等方面的信息。圖5、圖6分別為測(cè)得各試樣在人工海水中的電化學(xué)交流阻抗復(fù)平面(Nyquist)圖和Bode圖。從圖5中可以看出，各試樣在測(cè)試頻率范圍內(nèi)均為單容抗弧，對(duì)應(yīng)于電極表面腐蝕產(chǎn)物的電阻和電容。而兩種復(fù)合板的Nyquist圖由于頻率彌散效應(yīng)的影響，其容抗弧均表現(xiàn)為一個(gè)近似的半圓，這表明試樣腐蝕主要由電荷的傳遞步驟所決定。容抗弧半徑通常表示試樣在腐蝕電位條件下，電荷從電極的表面遷移到介質(zhì)表面的難易程度。容抗弧半徑值越大，則表示電荷遷移越困難。也就是說(shuō)容抗弧的半徑越大，材料的耐腐性性能越好。可以看出，3種試樣的容抗弧半徑大小為：TA10>TA10/Q345R復(fù)合板>TA10/Q245R復(fù)合板。說(shuō)明TA10的耐腐蝕性能好于TA10/Q345R復(fù)合板，TA10/Q245R的耐腐蝕性能相對(duì)較差。這是由于TA10表面在人工海水中會(huì)快速形成致密的氧化膜，阻礙腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生。

圖6為測(cè)得各試樣在人工海水中的Bode圖。從圖中可以看出，TA10在各頻率段的值均略大，值越大，說(shuō)明試樣TA10表面鈍化膜對(duì)電荷遷移的阻力越大，其耐腐蝕性能越強(qiáng)。在中低頻區(qū)域(10-2～1 Hz)，TA10/Q345R爆炸復(fù)合板的均高于TA10/Q245R，而在中高頻區(qū)域，兩者相差不大。表明TA10/Q345R的耐腐蝕性要略優(yōu)于TA10/Q245R，分析測(cè)試結(jié)果與前述的靜態(tài)質(zhì)量損失法及動(dòng)電位極化曲線測(cè)試相一致。雖然兩種鈦-鋼復(fù)合板的耐蝕性較TA10的有所降低，但降低幅度不大，在試驗(yàn)條件下仍然表現(xiàn)出較高的耐腐蝕性能，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用對(duì)復(fù)合板耐蝕性能的要求。

圖5 試樣在人工海水中的Nyquist圖

圖6 試樣在人工海水中的Bode圖

3 結(jié) 論

(1)在室溫條件下的人工海水中，通過(guò)靜態(tài)質(zhì)量損失法測(cè)得的各試樣的平均質(zhì)量損失腐蝕速率大小為：TA10

(2)動(dòng)電位極化曲線測(cè)得TA10,TA10/Q245R和TA10/Q345R的腐蝕電流分別為0.562,93.90及67.07 μA。電化學(xué)交流阻抗譜試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)TA10的耐腐蝕最好，TA10/Q345R次之，TA10/Q245R相對(duì)較差。兩種鈦-鋼復(fù)合板較TA10的耐蝕性有所降低，但降低幅度不大，在試驗(yàn)條件下仍然表現(xiàn)出較高的耐腐蝕性能，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用對(duì)復(fù)合板耐腐蝕性能的要求。

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(編輯 王維宗)

Study on Corrosion Resistance of Titanium-Steel Composite Plates With Explosive Welding

HanXiaomin,WangShaogang,HuangYan

(CollegeofMaterialScienceandTechnologyofNanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

Two types of composite plates i.e.TA10/Q245R and TA10/Q345R,are prepared by explosive welding respectively.The corrosion resistance of the two composite plates in artificial seawater is investigated by static weight loss method,dynamic potential polarization curve and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) method respectively,and it is compared with that of base plate and flyer plate.The results show that,under the conditions of corrosion?solution at ambient temperature,the average weight loss rate of TA10 is 0.022 g/m2·h，which is the lowest.The average weight loss rate of two types of Titanium-Steel composite plates is between the base plate and flyer plate.The weight loss rate of TA10/Q345R is lower than that of TA10/Q245R composite plates,but pitting corrosion phenomenon exists obviously at the side of Q345R.The results of electrochemical tests show that,the self-corrosion current of three samples are 0.562μA,93.90μA and 67.07μA.The corrosion resistance of two types of Titanium-Steel composite plates is slightly lower than that of TA10.Both of the two composite plates have higher corrosion resistance,and it can meet the requirements of corrosion resistance for engineering application.

titanium-steel composite plate,explosive welding,static weight loss method,dynamic potential polarization curve,electrochemical impedance spectroscopy

2015-09-14；修改稿收到日期：2016-01-25。

韓小敏(1990-)，在讀碩士，主要從事異種金屬的焊接工藝研究。E-mail：384215158@qq.com

江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目