鈦及鈦合金焊接接頭腐蝕性能研究現(xiàn)狀

周 洋 ，孔 諒 ，2，王 敏 ，2，華學(xué)明 ，2，牟 剛 ，2

（1.上海交通大學(xué)上海市激光制造及材料表面改性重點實驗室，上海 200240；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240）

0 前言

鈦及鈦合金因其比強度高、密度小和耐腐蝕性能良好，廣泛應(yīng)用于汽車、生物醫(yī)療、航空航天、石油化工、海洋工程等領(lǐng)域[1-2]。

優(yōu)良的耐腐蝕性能是很多領(lǐng)域使用鈦及鈦合金的重要原因。例如，海水淡化裝置主要使用比強度高和耐腐蝕性能好的鈦及鈦合金[3]。鈦及鈦合金焊接應(yīng)用最多的方法是鎢極氬弧焊（TIG焊），其他焊接方法如激光焊、電子束焊、爆炸焊等也有應(yīng)用[4]。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，鈦及鈦合金焊接接頭的耐腐蝕性能與母材相當或有一定的提高。

1 鈦及鈦合金焊接

1.1 鈦及鈦合金焊接性

常溫下，鈦及鈦合金能與氧形成致密而穩(wěn)定的氧化膜，從而保持良好的耐腐蝕性能。但在高溫下，鈦及鈦合金吸收氧、氮和氫的能力很強，對焊接接頭產(chǎn)生了很大影響，氧和氮在一定濃度下可以與鈦形成間隙固溶體，提高鈦的強度，降低鈦的塑性。當焊接接頭中氧和氮含量較高時，接頭將出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，在焊接應(yīng)力作用下將出現(xiàn)冷裂紋；當氫含量較高時，焊接熱影響區(qū)容易形成延遲裂紋，一般認為，氫的溶解度在焊縫凝固過程中下降是氫引起鈦及鈦合金焊縫氣孔的主要因素[5]。同時，由于鈦的熔點高（1 720℃）、導(dǎo)熱性能差，很容易出現(xiàn)過熱而導(dǎo)致組織粗化，因此在焊接鈦及鈦合金時應(yīng)注意控制焊接熱輸入，防止組織粗化[6]。

1.2 TIG焊接頭組織特征

鎢極氬弧焊（TIG焊）是焊接鈦合金最常用的焊接方法，主要用于10 mm以下厚度鈦板的焊接。對于0.5～2 mm薄板，可以采用脈沖鎢極氬弧焊。

工業(yè)純鈦比強度大，化學(xué)活性很高，并且憑借其出色的耐腐蝕性能常用于腐蝕情況惡劣的環(huán)境中。采用TIG焊，工業(yè)純鈦的焊縫組織多為鋸齒狀α相+板條狀α相或針狀α相。

郭豫鵬等人[7]對1mm的TA1板進行焊接，峰值電流40A，基值電流10A，焊接速度56mm/min，母材為等軸α相，在焊接熱循環(huán)作用下，晶粒由等軸α相逐漸增長，在焊縫中心處形成粗大的鋸齒狀α相。

A.Karpagaraj[8]對1.6 mm和2 mm的工業(yè)純鈦板進行焊接，采用不同的焊接電流和焊接速度，發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)和焊縫區(qū)出現(xiàn)明顯的晶粒粗化現(xiàn)象，焊縫組織為沿著β晶界向不同方向生長的板條狀α晶和相對細小的針狀α’相，如圖1所示。

隨著Ti中加入合金元素的種類和數(shù)量的不同，其室溫下的組織可分為α鈦合金、β鈦合金、α+β鈦合金。采用TIG焊時，焊縫組織主要是針狀α相+少量α’馬氏體。

趙海濤等人[9]對1.5 mmTi2A1Nb鈦合金板材進行焊接，峰值電流80 A，基值電流35 A，焊接速度125 mm/min，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)由尺寸較大的樹枝狀晶組成，靠近焊縫中心的枝晶更為細小，焊縫中心區(qū)域則為等軸晶，而熱影響區(qū)晶粒粗大，晶界明顯粗化，如圖2所示。

圖1 焊縫區(qū)組織形貌

圖2 熔合區(qū)附近組織形貌

Muhammad Shamir等人[10]對 1.6 mmTi5Al2.5Sn鈦合金板進行焊接，峰值電流32 A，基值電流16 A，焊接速度32.5 mm/min，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)主要由密排六方結(jié)構(gòu)的針狀α馬氏體和Ti3Al組成，并且由于Ti3Al的形成，焊縫對應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性增大。

1.3 激光焊接頭組織特征

激光束焊（Laser Beam Welding，LBW）常用于鈦及鈦合金精密儀器的焊接，具有能量密度集中、熱影響區(qū)小、自動化程度高等特點[11]。

激光焊接由于能量密度集中、冷卻速度快，焊接接頭中含有大量的馬氏體組織。劉芝俠等人[12]對3mm工業(yè)純鈦板進行激光焊接，激光功率3kW，焊接速度3m/min，發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)為粗大α晶粒、鋸齒狀α晶粒和沿晶界析出的α晶粒，而焊縫區(qū)為針狀α晶粒、鋸齒狀α晶粒和沿晶界析出的α晶粒。

徐鳳林等人[13]對板厚2 mm的TA2進行激光焊接，激光功率1.6 kW，發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)為板條狀馬氏體和針狀馬氏體的混合組織，焊縫區(qū)為細小的針狀馬氏體結(jié)構(gòu)。

J.Ahn等人[14]對2 mm的Ti-6Al-4V鈦合金進行激光焊接，焊縫區(qū)為大量的細小馬氏體相，熱影響區(qū)中靠近焊縫區(qū)的組織為針狀α晶粒和馬氏體相（見圖3），臨近母材的組織為原始α相、β相和少量馬氏體組織（見圖4）。

圖3 熱影響區(qū)組織形貌

圖4 焊縫區(qū)組織形貌

2 鈦及鈦合金焊接接頭腐蝕性能

金屬受介質(zhì)的化學(xué)及電化學(xué)作用而破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕，分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。金屬直接與介質(zhì)發(fā)生氧化或還原反應(yīng)引起的腐蝕損壞稱為化學(xué)腐蝕，在化學(xué)腐蝕中不產(chǎn)生電流；金屬與電解液相接觸時，有電流出現(xiàn)的腐蝕損壞過程稱為電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕是最普遍的腐蝕損壞現(xiàn)象[15]。

鈦及鈦合金比強度高、耐熱性和加工性較好，且化學(xué)活性很高。當工業(yè)純鈦暴露在空氣中時，會在表面形成一層穩(wěn)定、連續(xù)、致密的氧化膜使之處于鈍化狀態(tài)[16]。鈦及鈦合金的氧化膜具有良好的修復(fù)性能，當其因外界因素而被破壞時，能夠很快修復(fù)，因此鈦及鈦合金具有良好的耐腐蝕性能[17]。

如前所述，鈦及鈦合金經(jīng)TIG焊或激光焊后，焊縫組織及晶粒大小等都會發(fā)生一定程度的變化，其焊縫及熱影響區(qū)是否還具備相當?shù)目垢g能力是亟待進一步研究的問題。

2.1 焊接接頭耐腐蝕性能評價方法

在實際生產(chǎn)過程中，焊接接頭的耐腐蝕性能的評價方法可以分為三大類：重量法、表面觀察法和電化學(xué)測試法。

重量法是焊接接頭耐蝕能力研究中最基本的方法，同時也是最有效可信的定量評價方法。通過測量焊接接頭在腐蝕前后質(zhì)量的變化，可以較為準確、可信地表征焊接接頭的耐蝕性能。

張志昌[18]研究2025雙相不銹鋼經(jīng)MAG焊后在不同濃度的FeCl3溶液中的耐腐蝕性能，通過重量法發(fā)現(xiàn)隨著FeCl3濃度的增加，腐蝕速率增加，相同濃度下不同的焊接工藝參數(shù)，其腐蝕速率會有所不同，但相差不大。焊縫中奧氏體含量的增加以及氧化膜均勻無破損都會提高2025雙相不銹鋼焊縫的耐腐蝕性能。

夏鴻博等人[19]研究鈦/鋁復(fù)合板爆炸焊后在人工海水中的耐腐蝕性能，通過失重法研究發(fā)現(xiàn)，焊縫處的耐腐蝕性能介于兩種母材之間，即耐腐蝕性能：鈦＞焊縫＞鋁，并且通過金相顯微鏡和SEM掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，焊縫處受到腐蝕可能與焊縫處局部的熔融產(chǎn)物和爆炸焊后的殘余應(yīng)力有關(guān)。

但是重量法試驗周期較長，對于鈦及鈦合金這類耐腐蝕性能很好的金屬來說，試驗周期一般約為1年[20]。而且由于研究材料的腐蝕大多數(shù)屬于電化學(xué)腐蝕，因此電化學(xué)測試方法在腐蝕性能評價中的應(yīng)用非常廣泛，與重量法相比，電化學(xué)測試方法操作簡單、周期性短，不但能夠研究材料的腐蝕速度，還能夠深入研究材料的腐蝕機理。

王宏智等人[21]研究紫銅海水管焊接部位在人工海水中的腐蝕行為，通過陽極極化曲線、掃描電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，白銅焊縫極化過程中鎳元素向電極表面富集,形成結(jié)構(gòu)致密、與基體結(jié)合良好的氧化膜，極大地提高了膜層的耐腐蝕性能。

M.Dadfar等人[22]研究316L不銹鋼在0.9%NaCl溶液中的耐腐蝕性能，通過動電位極化曲線、掃描電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)耐腐蝕性能好于母材，可能是母材中的第二相組織降低了其耐腐蝕性能，而焊縫中第二相組織的溶解提高了其耐腐蝕性能。另外還發(fā)現(xiàn)，焊后熱處理能夠提高耐腐蝕性能。

2.2 鈦及鈦合金接頭耐腐蝕性能研究

國內(nèi)外對于鈦及鈦合金焊接接頭耐腐蝕性能的研究較少，主要集中在TIG焊和激光焊后的焊接接頭。

費東[23]研究鈦管TIG焊對接后在人工海水中耐腐蝕性能，通過分析動電位極化曲線，比較母材、焊縫區(qū)、熱影響區(qū)的維鈍電流和擊破電位得出：在某種特定焊接參數(shù)下，熱影響區(qū)的耐腐蝕性能最好，焊縫最差。并通過電偶電位腐蝕試驗研究母材和焊縫金屬的耐電偶腐蝕能力，發(fā)現(xiàn)在模擬海水中電偶腐蝕敏感性很低。

Z.B.Wang等人[24]研究純鈦及其TIG焊后在含氟硫酸中的耐腐蝕性能，通過研究動電位極化曲線、電化學(xué)極抗譜圖和金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，不論是熱影響區(qū)還是熔合區(qū)，晶粒大小和相的組成并不是影響工業(yè)純鈦耐腐蝕性能的主要因素，焊接中氧化膜的形成才能提高工業(yè)純鈦的耐腐蝕性能。此外，發(fā)現(xiàn)焊接熱輸入和保護氣體對耐腐蝕性能的影響不大。

孫德利等人[25]研究工業(yè)純鈦脈沖TIG焊焊接后在模擬脫硫濕煙囪冷凝液中的腐蝕行為，通過動電位極化曲線分析可知，焊縫、熱影響區(qū)和母材耐腐蝕性能接近，且焊接工藝參數(shù)（主要是焊絲直徑、焊接電流、有無保護氣體）、焊接順序及焊件正面、背面對耐腐蝕性能影響很小，幾乎可以忽略。但是氟離子濃度的增加會降低其耐腐蝕性能。

M.Balasubramanian等人[26]通過測量動電位極化曲線，采用中心組合設(shè)計原理研究脈沖TIG焊焊接工藝參數(shù)（主要是基值電流、峰值電流、脈沖頻率、脈沖時間）對鈦合金Ti-6Al-4V耐腐蝕性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，峰值電流和脈沖頻率對耐腐蝕性能的影響較大，如圖5所示，并且細化晶粒能夠提高腐蝕電阻，從而提高其耐腐蝕性能。

盧軍霞等人[27]通過動電位極化曲線發(fā)現(xiàn)，工業(yè)純鈦在激光焊接后，焊縫區(qū)在人工唾液的腐蝕介質(zhì)中其極化阻抗和耐腐蝕電位顯著增加，表明耐腐蝕性能得到了提升，并且提出這種提升可能與焊接方式引起的微結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。

Z．Sun等人[2]通過動電位極化曲線和電化學(xué)極抗譜圖發(fā)現(xiàn)，工業(yè)純鈦經(jīng)激光重熔（Nd:YAG激光焊接機）后，在3%NaCl溶液中腐蝕電流下降，極化阻抗增加，耐腐蝕性能得到提高。并且通過金相顯微鏡和掃描電鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，使用小熱輸入?yún)?shù)的激光重熔后，高的冷卻速度使得重熔區(qū)顯微組織發(fā)生改變，由α相轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铖R氏體組織，如圖6所示，可能是耐腐蝕性能提高的原因。

M．R．Amaya-Vazquez等人[28]通過動電位極化曲線和電化學(xué)極抗譜圖發(fā)現(xiàn)，工業(yè)純鈦在激光重熔（高功率半導(dǎo)體激光器）后，在3.5%NaCl溶液中極化阻抗無明顯變化，耐腐蝕性能沒有明顯改善。而鈦合金Ti-6Al-4V在激光重熔后，極化阻抗增加，耐腐蝕性能得到了提高。同時，通過XRD分析得出，工業(yè)純鈦激光重熔前后組織并沒有改變，而鈦合金Ti-6Al-4V激光重熔后出現(xiàn)了細小的馬氏體組織，這可能是耐腐蝕性能提高的原因。

圖5 焊接參數(shù)對腐蝕速度的影響

圖6 熔合區(qū)組織形貌

Iara Augusta Orsi[29]等人比較工業(yè)純鈦在TIG焊和激光焊后在人工唾液中的耐腐蝕性能，通過動電位極化曲線發(fā)現(xiàn)，TIG焊與激光焊的陽極極化曲線相差較大，且激光焊自腐蝕電位較大，表面耐腐蝕傾向較小，而TIG焊維鈍電流較小，腐蝕電位較大，表明TIG焊后工業(yè)純鈦表面更容易鈍化，耐腐蝕性能更好。這兩種焊接方法都能提高工業(yè)純鈦的耐腐蝕性能。

翟偉國等人[30]研究了TA2-Q345爆炸復(fù)合板在人工海水中的耐腐蝕性能，通過動電位極化曲線和電化學(xué)極抗譜圖發(fā)現(xiàn)，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。與母材相比，鈦-鋼復(fù)合板的耐蝕性能略有降低，但是下降幅度不大，仍表現(xiàn)出較高的抗腐蝕性能。并且通過XRD分析可知，焊接結(jié)合處Fe和C等合金元素從Q345側(cè)向鈦一側(cè)擴散，導(dǎo)致在結(jié)合處形成新相，在腐蝕環(huán)境下，這些區(qū)域成為薄弱地區(qū)，容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

綜上可知，鈦及鈦合金經(jīng)TIG焊和激光焊后，接頭耐腐蝕性能與母材相當或優(yōu)于母材，其原因是：接頭的顯微組織改變?yōu)獒槧畹鸟R氏體組織，或者焊縫表面易形成氧化膜，鈦及鈦合金焊接接頭的耐腐蝕性能將得到提高。但是，TIG焊和激光焊的焊接工藝參數(shù)以及鈦及鈦合金焊接后表面的氧化程度對耐腐蝕性能的影響程度，還有待后續(xù)研究。

3 結(jié)論

（1）TIG焊焊接鈦及鈦合金時，焊縫組織多為鋸齒狀α相+針狀α相，隨著合金元素的增多，焊縫中可能會出現(xiàn)少量的α’馬氏體。而激光焊由于冷卻速度快，焊縫組織多為細小的馬氏體組織。

（2）焊接接頭的耐腐蝕性能的評價方法可以分為三大類：重量法、表面觀察法和電化學(xué)測試法。對于鈦及鈦合金這類耐腐蝕性能很好的金屬來說，重量法周期較長，所以一般使用表面觀察法和電化學(xué)測試法。

（3）TIG焊和激光焊后，鈦及鈦合金焊接接頭耐腐蝕性能得到提高的原因有兩個：一是焊接過程中焊接接頭顯微組織發(fā)生改變，焊縫中出現(xiàn)了針狀馬氏體相；二是焊接過程中焊縫表面氧化膜的形成。