TC18鈦合金板在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕行為研究

TC18 鈦合金屬于α+β型鈦合金，該合金具有高強(qiáng)韌、高淬透、可焊性好等突出優(yōu)點(diǎn)，適用于制造飛機(jī)起落架、攔阻鉤、接頭、框和梁等關(guān)鍵承力構(gòu)件[1-5]。

目前關(guān)于TC18 鈦合金的性能有部分研究[6-7]，主要集中在組織和性能與熱處理制度的關(guān)系，而在戶外大氣環(huán)境中的腐蝕行為報(bào)道非常少。隨著裝備全天候、多地域服役要求，研究TC18 鈦合金在我國(guó)典型自然大氣環(huán)境下的大氣腐蝕性能變得非常迫切。文中研究了TC18 鈦合金在我國(guó)海洋大氣環(huán)境下的大氣腐蝕性能，揭示TC18 鈦合金腐蝕形貌、抗拉強(qiáng)度、斷裂韌度、疲勞裂紋擴(kuò)展速率在戶外暴露6 年過(guò)程中的變化規(guī)律，以期為TC18 鈦合金應(yīng)用范圍擴(kuò)展和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選材提供有益的借鑒和參考。

1、試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)所用材料為近β型鈦合金TC18，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。將材料加工成100 mm×50 mm×3 mm 平板、φ10 mm 拉伸樣、緊湊C（T）、標(biāo)準(zhǔn)C（T）試樣等四種型號(hào)規(guī)格，采用掛牌方式進(jìn)行試樣標(biāo)識(shí)。試驗(yàn)前所有試樣用丙酮清洗掉試樣表面的油污。

其中緊湊C（T）試樣參照GB/T 4161—2007《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC 試驗(yàn)方法》，將厚板加工成標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣，厚度B 為25 mm，寬度W 為50 mm。標(biāo)準(zhǔn)C（T）試樣參照GB 6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》，將厚板加工成標(biāo)準(zhǔn)C（T）試樣，厚度B 為12.5 mm，寬度W 為50 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選擇濕熱海洋環(huán)境海南萬(wàn)寧試驗(yàn)站同時(shí)開(kāi)展海洋平臺(tái)戶外和近海戶外暴露試驗(yàn)，其中平板試樣暴露于近海戶外，暴露地點(diǎn)距海90m，其余試樣均暴露于平臺(tái)戶外，海洋平臺(tái)暴露場(chǎng)入海25 m。

試驗(yàn)參照GB/T 14165—2008《金屬和合金大氣腐蝕試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的一般要求》的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。近海戶外大氣暴露試驗(yàn)和海洋平臺(tái)戶外大氣暴露試驗(yàn)的樣品在戶外朝南與水平面45°角放置，無(wú)背板暴露，其中斷裂韌度（緊湊C（T）試樣）和疲勞裂紋擴(kuò)展試樣（標(biāo)準(zhǔn)C（T）試樣）預(yù)期的裂紋擴(kuò)展方向向下。

試驗(yàn)總時(shí)間為6 年，每2 年為1 周期，定期取樣進(jìn)行宏微觀形貌、拉伸性能、斷裂韌度、疲勞裂紋擴(kuò)展速率等力學(xué)性能檢測(cè)，最終對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2、結(jié)果與分析

2.1 宏微觀形貌

TC18 鈦合金耐蝕性能優(yōu)良，長(zhǎng)期暴露于大氣環(huán)境中主要表現(xiàn)為金屬光澤下降和發(fā)黃發(fā)暗，微觀下未見(jiàn)點(diǎn)蝕坑等明顯腐蝕現(xiàn)象，如圖1 所示。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 靜態(tài)拉伸性能

參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》開(kāi)展拉伸性能測(cè)試。TC18的抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率隨試驗(yàn)時(shí)間的變化曲線如圖2 所示。從圖2 可以看出，海洋大氣環(huán)境對(duì)TC18的靜態(tài)拉伸性能有一定影響，但不顯著。

2.2.2 斷裂韌度

參照GB/T 4161—2007 對(duì)原始樣、海洋平臺(tái)戶外大氣暴露2 年和4 年試樣進(jìn)行斷裂試驗(yàn)，得到斷裂韌度變化數(shù)值見(jiàn)表2。從表2 可以看出，經(jīng)4 年海洋大氣環(huán)境試驗(yàn)后，海洋大氣環(huán)境對(duì)鈦合金的斷裂韌度有一定影響，TC18 斷裂韌度隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，但下降幅度較小。試驗(yàn)4 年后，TC18 斷裂韌度平均值為58.7 MPa·m^1/2，相比原始值下降了6.7%，最小值為54.4 MPa·m1/2，相比原始最小值下降了0.2%。

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)戶外暴露4 年的試驗(yàn)樣品的斷口自裂紋源區(qū)到擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行觀察，裂紋源處有臺(tái)階紋，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)有垂直于裂紋擴(kuò)展方向的二次裂紋，其斷口形貌表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷口[8-10]，如圖3 所示。

2.2.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率

參照GB 6398—2000 開(kāi)展疲勞裂紋擴(kuò)展速率性能。通過(guò)對(duì)TC18 暴露2，4，6 年試樣的裂紋長(zhǎng)度、循環(huán)數(shù)、裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子等試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到da/dN-ΔK 關(guān)系，其中采用擬合a-N 曲線求導(dǎo)的方法確定da/dN，再用線性回歸的方法擬合lg(da/dN)-lg(ΔK)數(shù)據(jù)點(diǎn)。由圖4 可見(jiàn)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中兩者均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合可得到應(yīng)力比為0.1 時(shí)的Paris 公式，其中暴露2 年：da/dN=C1(ΔK)n1，C1=5.846×10-11，n1=2.320；暴露4 年：da/dN=C₂(ΔK)ⁿ²，C₂=6.01×10^-14，n₂=3.48；暴露6 年da/dN=C₃(ΔK)n3，C₃=1.81×10^-13，n₃=3.30。Paris 公式能很好地描述疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度之間的關(guān)系，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔK 是疲勞裂紋擴(kuò)展的主要控制量，絕大部分金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展參數(shù)n在2～4 之間，該試驗(yàn)測(cè)得的n 值分別為2.320，3.48，3.30，結(jié)果是完全合理的[11-13]。

對(duì)斷口進(jìn)行微觀形貌分析，裂紋源處有撕裂細(xì)小韌窩，斷口邊沿有明顯的腐蝕產(chǎn)物[14]。擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞貝殼紋，斷口為準(zhǔn)解理斷裂。瞬間斷裂區(qū)斷口為韌窩的韌性斷裂，是在拉伸載荷作用下形成的，撕裂棱保護(hù)得很好，如圖5 所示。

3、結(jié)論

1）TC18 鈦合金耐蝕性能優(yōu)良，長(zhǎng)期暴露于海洋大氣環(huán)境中主要表現(xiàn)為金屬光澤下降和輕微發(fā)黃，微觀下未見(jiàn)點(diǎn)蝕坑等明顯腐蝕現(xiàn)象。

2）海洋大氣環(huán)境對(duì)TC18 鈦合金力學(xué)性能有一定影響，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，其抗拉強(qiáng)度和斷裂韌度均有一定程度降低。其中試驗(yàn)4 年，TC18 斷裂韌度平均值相比原始值下降了6.7%。

3）在da/dN-ΔK 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中兩者均呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，應(yīng)力比為0.1 時(shí)的Paris 公式為：暴露2年da/dN=C1(ΔK)ⁿ¹，C₁=5.846×10^-11，n₁=2.320；暴露4 年da/dN=C2(ΔK)ⁿ²，C₂=6.01×10^-14， n₂=3.48；暴露6 年da/dN=C₃(ΔK)ⁿ³，C₃=1.81×10_-13， n₃=3.30。

4）疲勞裂紋擴(kuò)展試樣斷口形貌顯示，裂紋源處有撕裂細(xì)小韌窩，斷口邊沿有明顯的腐蝕產(chǎn)物，擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞貝殼紋，斷口為準(zhǔn)解理斷裂，瞬間斷裂區(qū)斷口為韌窩的韌性斷裂。

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