化学成分及金相组织对纯钛自腐蚀电位的影响

李正佳,马红征,杜小平,何 伟(西部金属材料股份有限公司 理化检验中心,西安 710016)

化学成分及金相组织对纯钛自腐蚀电位的影响

李正佳,马红征,杜小平,何 伟
(西部金属材料股份有限公司 理化检验中心,西安 710016)

分析了采用自动焊及手工焊两种方式焊接的TA2纯钛板焊缝及母材的化学成分、金相组织及其在海水介质中的自腐蚀电位。结果表明：自动焊焊缝试样、手工焊焊缝试样和母材试样的自腐蚀电位相差不大。母材试样与焊缝试样的气体元素(C,N)含量有较大差异；母材试样的金相组织为单相等轴α组织，而焊缝试样的金相组织为粗大锯齿状α相+少量针状马氏体组织;化学成分和金相组织对3种试样在海水中自腐蚀电位的影响不大。

TA2;焊接;化学成分;金相组织;腐蚀电位

钛及其合金具有优异的综合性能,广泛应用于航空、航天、化工、电力、医疗等领域。因具有良好的耐蚀性，钛合金成为石油化工、化学工业、能源工业、医药等行业的装备材料，在海洋工程中的应用增长迅速，已成为海洋环境中应用最成功的工程金属[1-10]。焊接是钛及其合金在制造设备时最常用的加工工艺之一，焊缝处的耐蚀性是影响设备最终使用寿命的一个重要因素。自腐蚀电位是评价材料耐蚀性的主要参数之一，与材料的化学成分、金相组织、热处理工艺、变形与应力及表面状态等因素有关。

本工作测试了自动焊及手动焊两种焊接方式焊接TA2(纯钛板)试样的焊缝及母材在海水中的自腐蚀电位，研究了化学成分及金相组织对TA2试样自腐蚀电位的影响。

1 试验

1.1 试验材料

试验采用牌号TA2，厚6 mm的纯钛板，化学成分见表1。

表1 TA2的化学成分Tab. 1 Chemical composition of the TA2 %

1.2 试验方法

TA2纯钛板采用自动焊和手动焊两种方式焊接，焊缝宽度约为10 mm。分别在母材及焊缝区域采用慢走丝线切割法切取10 mm×10 mm或φ10 mm的试样，试样表面经水砂纸打磨至Ra0.6 μm以上，无水乙醇清洗后吹干待用。

采用2RA-1电偶腐蚀计测量试样在海水(中性3.5% NaCl溶液)中的自腐蚀电位，参比电极为饱和甘汞电极(SCE),文中电位均相对于SCE。试验温度为(25±2) ℃，每隔24 h测量一次,试验时间为9 d。以每组3个试样自腐蚀电位的均值作为此种试样的自腐蚀电位。自腐蚀电位测量试验结束后,进一步打磨抛光试样,并采用氢氟酸硝溶液侵蚀,然后在40MAT型金相显微镜下观察其金相组织。

2 结果与讨论

2.1 自腐蚀电位

由图1可见:母材试样和手动焊焊缝试样的自腐蚀电位在试验初期均有较大波动，而自动焊焊缝试样的自腐蚀电位随时间的波动则较小，但随着试验时间的延长，3组试样的自腐蚀电位均逐渐趋于在较小范围内波动直至稳定。TA2母材试样,自动焊焊缝试样和手动焊焊缝试样的腐蚀电位分别为-153.73，-156.30，-155.73 mV。3种试样的自腐蚀电位相差不大，母材试样的略高，自动焊焊缝试样的较低，手动焊焊缝试样的则居中。

图1 3种试样自腐蚀电位随时间的变化曲线Fig. 1 Ecorr-t curves of 3 samples

2.2 化学成分

由表1可见:母材试样各项化学成分均在标准范围内；自动焊焊缝试样的C、N两种元素含量超标，C元素超标25%，N元素超标67%；手动焊焊缝试样的N元素含量超标，超标33%。可以看出,两种焊接方式均给TA2材料的气体元素含量带来变化,导致C、N元素超标。三种试样的气体元素含量出现了差异，但其在海水中的自腐蚀电位却相差不大，这表明对于TA2而言，气体元素含量的差异对其在海水中自腐蚀电位的影响不大。

2.3 金相组织

由图2可见:母材试样为单相等轴的α组织，晶粒度6.0级。手动焊与自动焊焊缝试样的金相组织均是边界呈锯齿状的大晶粒，在晶粒内间或分布有针状马氏体。这是因为钛的熔化温度高、热容量大、电阻系数大、热导率比铝、铁等金属低，使得钛的焊接熔池具有更高的温度和较大的熔池尺寸，热影响区金属在高温下的停留时间长，易引起焊接接头的过热倾向，使晶粒变得十分粗大[11-14]。同时因为焊接时温度过高(TA2相变温度点882 ℃)，在随后的冷却过程中发生马氏体相变即α-Ti→β-Ti→α′-Ti，使得焊缝组织为粗大锯齿状α相+少量针状马氏体组织[15-18]。3种试样的金相组织差异较大，但其在海水中的自腐蚀电位相差不大，这表明金相组织差异对3种试样在海水中自腐蚀电位的影响较小。

3 结论

(1) 自动焊及手动焊两种焊接方式均会造成TA2焊缝气体元素含量超标；

(2) 化学成分差异对TA2在海水中自腐蚀电位的影响不大；

(a) 母材试样 (b) 手动焊焊缝试样 (c) 自动焊焊缝试样图2 3种试样的金相组织Fig. 2 Microstructure of 3 samples: (a) base metal sample, (b) weld metal of the manual welding sample, (c) weld metal of the automatic welding sample

(3) 组织形貌差异对TA2在海水中自腐蚀电位的影响不大；

(4) TA2自动焊及手动焊焊缝的组织均为粗大锯齿状α相+少量针状马氏体组织。

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Effects of Chemical Composition and Microstructure on the Free Corrosion Potential of Pure Titanium

LI Zhengjia, MA Hongzheng, DU Xiaoping, HE Wei
(Physics & Chemistry Inspection Center for Western Metal Materials Co., Ltd., Xi′an 710016, China)

Chemical composition, microstructure and corrosion potential in seawater of the base metal and two kinds of TA2 titanium plate prepared by automatic welding and manual welding were analyzed. The results showed that the free corrosion potentials of automatic welding seam sample, manual welding seam sample and base metal sample had a little difference. The content of gas elements (C, N) of base metal sample and weld metal sample were different. The microstructure of base metal is a single equiaxed α phase, while the weld is a thick, serrated α phase and a small amount of needle martensite. The effects of chemical composition and microstructure on self corrosion potential of 3 samples in seawater are little.

TA2; welding; chemical constituent; microstructure; corrosion potential

2015-12-20

西部材料创新基金(XBCL-2-10)

李正佳(1977-)，工程师，博士，主要从事钛合金及难熔金属的金相及物理性能测试,13609189778,lzj2002128@163.com

10.11973/fsyfh-201707009

TG174

A

1005-748X(2017)07-0526-03