钛及钛合金的缝隙腐蚀行为

杨专钊，刘道新，张晓化

（西北工业大学，西安710072）

与结构钢和铝合金相比，钛合金具有比强度（强度与密度比值）高、无磁性、耐高温等优点，在航空航天领域内被广泛使用。在用作紧固件时，由于钛合金具有良好的弹性，所以对于钛合金紧固件，施加预载荷或定载荷后，使螺栓发生弹性形变，可以有效防止螺栓松动。

但是，在一定的环境介质条件下，钛合金作为紧固件，可能发生局部腐蚀——接触腐蚀，即钛合金与其他材料的组合使用过程中，可导致其他低电位的材料加速腐蚀。

尽管对钛合金接触腐蚀进行了许多研究工作，但在实际航空工业应用中，随着新型钛合金和新材料的研究开发，新的接触腐蚀体系不断出现，有必要进一步探讨并解决这类问题。钛合金常温条件下具有良好的耐缝隙腐蚀性能，本工作研究了不同成分体系钛合金在高温苛刻条件下的缝隙腐蚀敏感性，更深入地认识不同钛合金体系的缝隙腐蚀敏感性，为航空航天工业中钛合金与其他材料合理组合使用提供科学依据。

1 试验

1.1 试验材料与试样

试验材料有工业纯钛（TA2）、Ti-5Al-2.5Sn（TA7），Ti-0.2Pd（TA9），51Ti49Ni（TiNi），Ti-0.3Mo-0.8Ni（TA10），Ti-6Al-4V（TC4）和Ti-6Ta（Ti35）。

试样尺寸为40mm×25mm×（23）mm的薄片，中心孔直径φ7mm。试样表面经水砂纸打磨至800＃，并用丙酮超声除油。试样的安装完全模拟紧固件固定的方式，缝隙由试样两侧的聚四氟乙烯（PTFE）垫片来组装形成。为减少外界因素对缝隙腐蚀试验结果的影响，固定垫片的紧固件也采用聚四氟乙烯材料制成的螺栓与螺母，并采用统一的紧固力矩。同时，为保证试验准确度，每种材料设置2组平行试样。

图1为试样安装示意图，聚四氟乙烯紧固件为M6螺纹，详细参 见国标GB／T 13671-1992［1］和GB／T10127-2002［2］。螺栓及其组合的的紧固都采用了统一的力矩，以保证组合之间形成的缝隙的形状和尺寸一致。

图1 缝隙腐蚀试样安装示意图

1.2 试验装置

试验装置由1000mL容量三角烧瓶、1000mL电子调温电热套加热器、蛇形冷凝管及乳胶软管等组成。将组装好的试样放置在三角烧瓶内，利用电热套加热调温，如图2所示。为防止NaCl浓度变化，在烧瓶口接冷凝管，冷凝管内通流动冷水，来冷凝回流盐溶液水蒸气。

图2 试样暴露示意图

1.3 试验条件与过程

根据GB／T 10124-2002［3］，以及相关资料［4］，确定钛合金缝隙腐蚀试验试验条件如下：

（1）试验溶液 采用分析纯NaCl与蒸馏水配制的5mol·L-1NaCl，溶液pH范围为2.83.2，采用0.1mol·L-1的HCl调节。试验溶液120h更新一次。

（2）试验加热 溶液保持微沸状态，溶液温度110℃。

（3）试验周期 缝隙腐蚀试验持续周期为60d。

（4）试验过程 将准备好的试样进行干燥和称量；并将试验辅助材料，聚四氟乙烯螺栓、螺母、垫片，进行打磨除油、干燥等处理；再按照图1形式进行组合装配成缝隙腐蚀试验模型，按照统一力矩紧固螺母。每件试样可以观察正反两面的缝隙腐蚀情况；然后将其投入到装有5mol·L-1NaCl溶液的烧瓶内，加热至溶液沸腾，开始试验计时；60d后，自然冷却取出试样，经过清理后观察试样形貌，并进行称量等测量和分析。

2 结果与讨论

不同体系钛合金在上述试验条件下经过60d缝隙腐蚀试验后，部分试样发生了缝隙腐蚀。发生明显缝隙腐蚀的试样有TiNi，TA7，TC4，TA2和Ti35，其中TiNi和TA7材料，每种材料平行2件试样的4个缝隙面上都发生了缝隙腐蚀，概率为100%；TC4材料，平行2件试样四个缝隙面内有两个面发生缝隙腐蚀，概率为50%；而TA2与Ti35，只有一个缝隙面上发生了缝隙腐蚀，概率为25%。这些钛合金材料缝隙腐蚀形貌见图3。

反发生较轻微腐蚀的试样是TA9和TA10，只在聚四氟乙烯垫片处失去金属光泽，如图4所示。可见，钛合金在试验条件下具有发生缝隙腐蚀的可能性，发生缝隙腐蚀的程度与钛合金材料密切相关。

上述不同钛合金缝隙腐蚀的结果与钛合金在沸腾硝酸全浸腐蚀的结果较为一致［5］（见表2），该文献对上述钛合金在沸腾硝酸中的耐蚀性顺序由强到弱依次为TA2，TA9，TA10，TiNi和Ti35 5种合金进行了硝酸全浸腐蚀。结果显示，其中Ti35最耐腐蚀，腐蚀速率为0.07mm·a-1；而TiNi最不耐腐蚀，腐蚀速率为28mm·a-1；TA2，TA9和TA10腐蚀速率较为接近，在0.30～0.43mm·a-1范围内。

图3 钛合金缝隙腐蚀试验后形貌

图4 缝隙腐蚀较轻试样

表2 钛合金在沸腾硝酸全浸腐蚀速率mm·aˉ1

TA2，TA9和TA10的表面层完全为TiO2，Ti35合金表面的氧化层组成主要是Ti的各种价态的氧化物。Ti35是α系Ti-Ta二元合金，Ta的质量分数不超过6%，在强腐蚀环境下容易形成更加致密的保护膜，因此具有良好的耐蚀性。而TiNi合金，主要元素为钛与镍，其中镍的质量分数50%，因此钛的含量和纯净度都大大下降，也是耐蚀性较差原因所在［6-8］。

而且，同时可以说明钛合金缝隙腐蚀对于聚四氟乙烯垫片材料较为敏感。

综上所述，钛合金发生缝隙腐蚀的条件较为苛刻，只有在高温、酸性狭小缝隙等条件下发生，因而一般条件下是没有缝隙腐蚀或缝隙腐蚀微乎其微。

3 结论

（1）一般条件下，不同钛合金材料缝隙腐蚀敏感性很小；但在高温、酸性狭小缝隙等苛刻环境中（5mol·L-1NaCl，pH 2.8～3.2，沸腾状态），不同钛合金材料对聚四氟乙烯材料有一定的缝隙腐蚀敏感性；

（2）进行的7种不同钛合金材料体系缝隙腐蚀测试中，对聚四氟乙烯缝隙腐蚀敏感性依次为Ti-Ni，TA7，TC4，TA2，Ti35，TA9和TA10。

［1］GB／T 13671-92不锈钢缝隙腐蚀电化学试验方法［S］.

［2］GB／T10127-2002不锈钢三氯化铁缝隙腐蚀试验方法［S］.

［3］GB／T10124-88金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法［S］.

［4］赵永新，姚禄安，甘复兴.钛缝隙腐蚀行为的研究［J］.中国腐蚀与防护学报，1990，10（3）：252-258.

［5］赵继红.强酸环境下钛合金耐蚀性研究［D］.西安：西北工业大学学士学位论文，2003.

［6］宋少杰，熊金平，唐聿明，等.镍钛合金磷酸盐缓蚀溶液中的亚稳态点蚀行为［J］.腐蚀与防护，2010，31（11）：851-855.

［8］刘凤岭，李金桂，冯自修.钛合金表面技术的进展［J］.腐蚀与防护，2001，22（2）：54-57.