固溶時(shí)效處理對(duì)TB5 鈦合金組織和電化學(xué)腐蝕行為的影響*

鈦合金因具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和較高的比強(qiáng)度等特點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于航空航天、 船舶和生物醫(yī)療等行業(yè)。 20 世紀(jì)90 年代， 國(guó)外就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鈦合金管材在石油天然氣行業(yè)的應(yīng)用

。目前， 在日本、 美國(guó)和歐洲等國(guó)家和地區(qū)， 鈦焊管在很多領(lǐng)域正在逐步取代鈦無(wú)縫管和其他管材， 被廣泛應(yīng)用在石油能源工業(yè)、 冶金工業(yè)、 汽車(chē)工業(yè)等工程中

。 另外， 水資源缺乏已成為全世界最為關(guān)注和迫切需要解決的重要問(wèn)題之一，在解決沿海地區(qū)淡水資源緊張的諸多方法中， 海水淡化是一種切實(shí)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(yōu)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(yīng)器等， 會(huì)大幅度降低設(shè)備的維修維護(hù)成本， 提高設(shè)備的使用壽命， 因此鈦焊管在石油化工行業(yè)的應(yīng)用將成為必然的發(fā)展趨勢(shì)

。 隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展， 也迫切需要在石油天然氣的開(kāi)采中使用更耐腐蝕的管材， 因此近年來(lái)也努力嘗試將鈦焊管應(yīng)用于石化行業(yè)。

我國(guó)對(duì)鈦合金焊管在石油天然氣方面的應(yīng)用還處于初始階段， 在研制和應(yīng)用中還存在很多問(wèn)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(duì)象， 分析研究了熱處理對(duì)TB5 鈦合金電化學(xué)腐蝕性能的影響， 通過(guò)試驗(yàn)得出更合理的熱處理工藝， 為T(mén)B5 鈦合金在石油天然氣焊管中的應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

從TB5 鈦合金管材上截取試樣， 其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)TB5 鈦合金α-β 相轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間（755～800 ℃）， 將TB5 鈦合金試樣分為7 組來(lái)分別做固溶和時(shí)效處理， 熱處理的工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

在職業(yè)的選擇上，漂亮女人如蛾逐火地喜愛(ài)拋頭露臉的行當(dāng)。比如唱歌跳舞做演員，偏偏都是吃口青春飯的事，便是風(fēng)光，其時(shí)也短，很難登峰造極，成為一方大家。當(dāng)一般的人人到中年，正朝氣勃勃，卓有成效地做著自己的事業(yè)的時(shí)候，漂亮女人卻已經(jīng)花事闌珊，走下坡路了，只好自怨自憐，哀嘆紅顏易老，青春難留。

圖1 所示為3 組固溶數(shù)據(jù)和4 組時(shí)效數(shù)據(jù)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(shí)效溫度為400 ℃和450 ℃時(shí)試樣X(jué)RD衍射峰中全是β 相， 晶面指數(shù)分別為 （110）、（200）、（211）， 無(wú)α 相衍射峰出現(xiàn)。 當(dāng)時(shí)效溫度為500 ℃時(shí)圖譜中出現(xiàn)了明顯的α 相衍射峰， 晶面指數(shù)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(dāng)時(shí)效溫度達(dá)到550 ℃時(shí)， 晶面指數(shù)為 （100） 和 （101） 的次生α 相衍射峰強(qiáng)度較500 ℃時(shí)降低。 并且晶面指數(shù)為（102）和（110）的次生相基本完全溶解。 說(shuō)明次生α 相含量隨著時(shí)效溫度的升高先增多， 到500 ℃時(shí)含量達(dá)到最多， 大于500 ℃后次生相的含量又開(kāi)始減少。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 XRD 分析

使用布魯克D8 ADVANCE 系列衍射儀對(duì)7 組試樣進(jìn)行物相分析來(lái)獲得TB5 鈦合金的物相組成； 試樣經(jīng)過(guò)制樣、 打磨、 拋光處理后使用徠卡DMi8 金相顯微鏡來(lái)觀察各組TB5 鈦合金試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)； 電化學(xué)試驗(yàn)采用的儀器是RST5000 系列電化學(xué)工作站， 試驗(yàn)過(guò)程中OCP、EIS、 Tafel 試驗(yàn)所用到的溶液均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的氯化鈉溶液， 點(diǎn)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(chǎng)上36%的工業(yè)鹽酸與去離子水以體積比1∶2.4 進(jìn)行配置， 最終獲得不同熱處理?xiàng)l件下試樣耐腐蝕性能數(shù)據(jù)。

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(jù)鈦合金的相變點(diǎn)公式可以算出其相變點(diǎn)溫度大約為755 ℃

， 為確保固溶溫度在其相變點(diǎn)之上， 試驗(yàn)最低固溶溫度取為800 ℃， 此時(shí)鈦合金中的α 相完全轉(zhuǎn)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(lái)越大， 800 ℃固溶時(shí)晶粒尺寸為86 μm， 950 ℃固溶時(shí)晶粒尺寸增大到了210 μm， 由此可見(jiàn)在TB5 鈦合金相變點(diǎn)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(jīng)過(guò)擬合后的阻抗譜Nyqust 圖， 可以看出時(shí)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(shí)效后的試樣耐腐蝕性能更好。 從3 條固溶圓弧線(xiàn)來(lái)看， 耐腐蝕性能的強(qiáng)弱由大到小對(duì)應(yīng)的固溶溫度依次為800 ℃、 850 ℃和950 ℃， 這與Tafel 測(cè)試得到的結(jié)論一致。 圖6中圓弧曲率半徑最大的是500 ℃時(shí)效的試樣， 呈現(xiàn)出的規(guī)律為隨著時(shí)效溫度的提高， 材料的耐腐蝕性能先增大后減小， 有一個(gè)峰值， 這與此前的Tafel 測(cè)試結(jié)果也符合。

圖4 所示為時(shí)效處理后的各組金相照片，當(dāng)固溶溫度過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致β 晶粒迅速長(zhǎng)大， 晶界體積相應(yīng)減少， 這樣會(huì)使TB5 鈦合金試樣一些性能降低， 并且可能產(chǎn)生β 脆性相

。 為了保證試樣良好的力學(xué)性能， 以便對(duì)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(chǔ)上進(jìn)行時(shí)效。 根據(jù)金相照片，400 ℃時(shí)效處理的組織仍為單一的β 相組織，這是由于時(shí)效溫度較低， 析出次生α 相是一個(gè)很慢的過(guò)程， 組織反應(yīng)速度慢， β 相還來(lái)不及析出次生α 相

； 當(dāng)時(shí)效溫度達(dá)到500 ℃時(shí)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(xù)提高時(shí)效溫度， 當(dāng)時(shí)效溫度為550 ℃時(shí)， 次生相的含量比500 ℃時(shí)少了很多， 這是因?yàn)門(mén)B5 鈦合金在時(shí)效過(guò)程中同時(shí)存在次生相的析出和溶解， 當(dāng)時(shí)效溫度過(guò)大時(shí)次生相的溶解速度將會(huì)大于其析出速度

， 在之前晶粒中存在的彌散的次生相將會(huì)重新溶解到β 相中。

表3 和圖5 為T(mén)afel 測(cè)試結(jié)果， 測(cè)試溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shì)， 隨著固溶溫度的升高， 腐蝕電位越來(lái)越低， 腐蝕電流密度越來(lái)越高， 表明晶粒越小越耐腐蝕， 這是因?yàn)榫Ы缑娣e越大， 晶界體積分?jǐn)?shù)越高， 必然會(huì)提供更多的活性位點(diǎn)， 迅速形成保護(hù)鈍化層

。通過(guò)對(duì)比4 組時(shí)效Tafel 數(shù)據(jù)與3 組固溶數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)時(shí)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(duì)比時(shí)效的4 組數(shù)據(jù)可以看出， 材料的耐腐蝕性隨著時(shí)效溫度的升高呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)。 綜合上述規(guī)律可以看出， TB5 鈦合金經(jīng)過(guò)時(shí)效后的耐腐蝕性?xún)?yōu)于固溶處理， 且耐腐蝕性強(qiáng)弱與次生相的多少有關(guān)， 次生相越多TB5 鈦合金的耐腐蝕性能越好。

2.3 電化學(xué)測(cè)試分析

基于分?jǐn)?shù)階阻抗模型的磷酸鐵鋰電池荷電狀態(tài)估計(jì)//孫國(guó)強(qiáng),任佳琦,成樂(lè)祥,朱瑛,衛(wèi)志農(nóng),臧海祥//(23):57

1.5 資料收集與質(zhì)量控制 為了使統(tǒng)計(jì)結(jié)果更準(zhǔn)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(hù)士職業(yè)認(rèn)同評(píng)定量表對(duì)兩組護(hù)士進(jìn)行評(píng)定。第1次評(píng)定在兩組成員干預(yù)前1 d，收集兩組成員基線(xiàn)資料的時(shí)候，第2次是在干預(yù)結(jié)束當(dāng)天。兩組成員都進(jìn)行2次效果測(cè)評(píng)。由心理技師發(fā)放問(wèn)卷，統(tǒng)一指導(dǎo)語(yǔ)，集中施測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)放及回收問(wèn)卷，保證問(wèn)卷填寫(xiě)真實(shí)有效。對(duì)有疑問(wèn)的條目，施測(cè)者做不加暗示性解釋?zhuān)瑔?wèn)卷由被測(cè)者獨(dú)立完成。共發(fā)放106份問(wèn)卷，收回有效問(wèn)卷106份，有效回收率100%。

3 結(jié) 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(jīng)過(guò)時(shí)效后的耐腐蝕性能要比經(jīng)過(guò)固溶處理的顯著提升， 樣品耐腐蝕性能隨時(shí)效溫度的提高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。

在關(guān)稅普遍存在和全球經(jīng)濟(jì)一體化的大背景下，盡管一些國(guó)家或地區(qū)的自由貿(mào)易園區(qū)依靠自身的特性發(fā)展形成了離岸金融服務(wù)等功能，但全球自由貿(mào)易園區(qū)的基本功能幾乎都是“制造加工+轉(zhuǎn)口貿(mào)易”。此外，便于被視為“在關(guān)境之外”，自由貿(mào)易園區(qū)通常選址于具有離岸地理優(yōu)勢(shì)的海港城市，形成了“一線(xiàn)放開(kāi)，二線(xiàn)管住，區(qū)內(nèi)自由”的海關(guān)監(jiān)管特性。

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

mm/a。

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