TC18鈦合金板在海洋大氣環境中的腐蝕行為研究

TC18 鈦合金屬于α+β型鈦合金，該合金具有高強韌、高淬透、可焊性好等突出優點，適用于制造飛機起落架、攔阻鉤、接頭、框和梁等關鍵承力構件[1-5]。

目前關于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系，而在戶外大氣環境中的腐蝕行為報道非常少。隨著裝備全天候、多地域服役要求，研究TC18 鈦合金在我國典型自然大氣環境下的大氣腐蝕性能變得非常迫切。文中研究了TC18 鈦合金在我國海洋大氣環境下的大氣腐蝕性能，揭示TC18 鈦合金腐蝕形貌、抗拉強度、斷裂韌度、疲勞裂紋擴展速率在戶外暴露6 年過程中的變化規律，以期為TC18 鈦合金應用范圍擴展和產品結構的設計與選材提供有益的借鑒和參考。

1、試驗

1.1 試樣

試驗所用材料為近β型鈦合金TC18，其化學成分見表1。將材料加工成100 mm×50 mm×3 mm 平板、φ10 mm 拉伸樣、緊湊C（T）、標準C（T）試樣等四種型號規格，采用掛牌方式進行試樣標識。試驗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《金屬材料平面應變斷裂韌度KIC 試驗方法》，將厚板加工成標準緊湊拉伸試樣，厚度B 為25 mm，寬度W 為50 mm。標準C（T）試樣參照GB 6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》，將厚板加工成標準C（T）試樣，厚度B 為12.5 mm，寬度W 為50 mm。

1.2 試驗方法

試驗選擇濕熱海洋環境海南萬寧試驗站同時開展海洋平臺戶外和近海戶外暴露試驗，其中平板試樣暴露于近海戶外，暴露地點距海90m，其余試樣均暴露于平臺戶外，海洋平臺暴露場入海25 m。

試驗參照GB/T 14165—2008《金屬和合金大氣腐蝕試驗現場試驗的一般要求》的相關規定執行。近海戶外大氣暴露試驗和海洋平臺戶外大氣暴露試驗的樣品在戶外朝南與水平面45°角放置，無背板暴露，其中斷裂韌度（緊湊C（T）試樣）和疲勞裂紋擴展試樣（標準C（T）試樣）預期的裂紋擴展方向向下。

試驗總時間為6 年，每2 年為1 周期，定期取樣進行宏微觀形貌、拉伸性能、斷裂韌度、疲勞裂紋擴展速率等力學性能檢測，最終對試驗結果進行分析。

2、結果與分析

2.1 宏微觀形貌

TC18 鈦合金耐蝕性能優良，長期暴露于大氣環境中主要表現為金屬光澤下降和發黃發暗，微觀下未見點蝕坑等明顯腐蝕現象，如圖1 所示。

2.2 力學性能

2.2.1 靜態拉伸性能

參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》開展拉伸性能測試。TC18的抗拉強度及斷后伸長率隨試驗時間的變化曲線如圖2 所示。從圖2 可以看出，海洋大氣環境對TC18的靜態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 對原始樣、海洋平臺戶外大氣暴露2 年和4 年試樣進行斷裂試驗，得到斷裂韌度變化數值見表2。從表2 可以看出，經4 年海洋大氣環境試驗后，海洋大氣環境對鈦合金的斷裂韌度有一定影響，TC18 斷裂韌度隨試驗時間的延長呈下降趨勢，但下降幅度較小。試驗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）對戶外暴露4 年的試驗樣品的斷口自裂紋源區到擴展區進行觀察，裂紋源處有臺階紋，疲勞裂紋擴展區有垂直于裂紋擴展方向的二次裂紋，其斷口形貌表現為準解理斷口[8-10]，如圖3 所示。

2.2.3 疲勞裂紋擴展速率

參照GB 6398—2000 開展疲勞裂紋擴展速率性能。通過對TC18 暴露2，4，6 年試樣的裂紋長度、循環數、裂紋尖端應力強度因子等試驗數據處理得到da/dN-ΔK 關系，其中采用擬合a-N 曲線求導的方法確定da/dN，再用線性回歸的方法擬合lg(da/dN)-lg(ΔK)數據點。由圖4 可見，在雙對數坐標中兩者均呈現較好的線性關系，對曲線進行線性擬合可得到應力比為0.1 時的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展速率與應力強度因子幅度之間的關系，應力強度因子幅度ΔK 是疲勞裂紋擴展的主要控制量，絕大部分金屬材料的疲勞裂紋擴展參數n在2～4 之間，該試驗測得的n 值分別為2.320，3.48，3.30，結果是完全合理的[11-13]。

對斷口進行微觀形貌分析，裂紋源處有撕裂細小韌窩，斷口邊沿有明顯的腐蝕產物[14]。擴展區有明顯的疲勞貝殼紋，斷口為準解理斷裂。瞬間斷裂區斷口為韌窩的韌性斷裂，是在拉伸載荷作用下形成的，撕裂棱保護得很好，如圖5 所示。

3、結論

1）TC18 鈦合金耐蝕性能優良，長期暴露于海洋大氣環境中主要表現為金屬光澤下降和輕微發黃，微觀下未見點蝕坑等明顯腐蝕現象。

2）海洋大氣環境對TC18 鈦合金力學性能有一定影響，隨著試驗時間的延長，其抗拉強度和斷裂韌度均有一定程度降低。其中試驗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 雙對數坐標中兩者均呈現很好的線性關系，應力比為0.1 時的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）疲勞裂紋擴展試樣斷口形貌顯示，裂紋源處有撕裂細小韌窩，斷口邊沿有明顯的腐蝕產物，擴展區有明顯的疲勞貝殼紋，斷口為準解理斷裂，瞬間斷裂區斷口為韌窩的韌性斷裂。

參考文獻：

[1] LI C, ZHANG X Y, LI Z Y, et al. Hot Deformation ofTi-5Al-5Mo-5 V-1Cr-1Fe Near β Titanium Alloys Containing Thin and Thick Lamellar α Phase[J]. Materials Science & Engineering A, 2013, 573: 75-83.

[2] NYAKANA S L, FANNING J C, BOYER R R. Quick Reference Guide for β Titanium Alloys in the 00s[J].Journal of Materials Engineering and Performance, 2005,14(6): 799-811.

[3] BOYER R R, BRIGGS R D. The Use of β Titanium Alloys in the Aerospace Industry[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2005, 14(6): 681-685.

[4] IVASISHIN O M, MARKOVSKY P E, MATVIYCHUKYU V, ET AL. A Comparative Study of the MechanicalProperties of High-strength β-titanium Alloys[J]. Journal of Alloys &Compounds, 2008, 457: 296-309.

[5] IVASISHIN O M, MARKOVSKY P E, SEMIATIN S L,et al. Aging Response of Coarse and Fine-grained β TitaniumAlloys[J]. Materials Science & Engineering A,2005, 405: 296 - 305.

[6] 張樂, 劉瑩瑩, 史曉楠, 等. TC18 鈦合金的顯微組織及拉伸性能[J]. 材料熱處理學報, 2017, 38(6): 54-60.

[7] 官杰, 劉建榮, 雷家峰, 等. TC18 鈦合金的組織和性能與熱處理制度的關系[J]. 材料研究學報, 2009, 23(1):78-82.

[8] 舒暢, 張帷, 蘇艷, 等. 海洋大氣環境對鈦合金TA15斷裂韌度的影響[J]. 表面技術, 2012, 41(6): 54-57.

[9] 商國強, 王新南, 費躍, 等. 新型低成本鈦合金高周疲勞性能和斷裂韌度[J]. 失效分析與預防, 2013, 8(2):74-78.

[10] 張慶玲, 李興無. TA15 鈦合金兩類組織對疲勞性能和斷裂韌度的影響[J]. 材料工程, 2007(7): 3-5.

[11] 朱知壽, 馬少俊, 王新南, 等. TC4-DT 損傷容限型鈦合金疲勞裂紋擴展特性的研究[J]. 鈦工業進展, 2005,22(6): 10-13.

[12] 吉楠, 衛遵義, 白小亮, 等. TC11 鈦合金全范圍疲勞裂紋擴展速率表征[J]. 理化檢驗-物理分冊, 2016, 52(7):439-442.

[13] 張亞娟, 姚易, 劉海燕. Ti-6Al-4V鈦合金的疲勞裂紋擴展規律[J]. 理化檢驗-物理分冊, 2011, 47(12): 752-755.

[14] 吳崇周, 李興無, 黃旭, 等. TA15 鈦合金疲勞裂紋擴展與顯微組織的關系[J]. 稀有金屬材料與工程, 2007,36(12): 2128-2131.