轨道交通用TC4钛合金TIG焊接头耐腐蚀性能研究

宋坤林， 王 婷，张心周，于承雪，姜虹冶，付 娟

(1.国家高速列车青岛技术创新中心, 青岛 266111)(2.中钛国创(青岛)科技有限公司, 青岛 266111)(3.江苏科技大学 先进焊接技术省级重点实验室，镇江 212100)

钛合金因其比强度高、耐腐蚀、抗冲击等优点，在轨道交通、航空航天等领域得到了广泛地应用[1-2].近些年，高速列车上某些零部件采用钛合金替换现有的不锈钢和碳钢，具有明显的优势.TC4钛合金是目前工业生产中应用最为广泛的一种(α+β)型钛合金[3]，已应用于高速列车焊接零部件.由于钛的化学活性较强，极易与高温下的氧、氮、氢反应而引起氧化、氮化、脆化[4]，严重降低焊接结构件的性能，因此，钛合金是一种不易焊接的金属[5-6].

钨极氩弧焊(TIG焊)是工程中钛合金最为普遍的焊接方法，焊接时可通过控制焊接电流、焊接速度和填充金属得到接头质量好、可靠性高的焊缝.我国设计制造的下潜7 km的蛟龙号载人潜水器为全钛合金结构[7]，采用钨极氩弧焊焊接.可见，钨极氩弧焊在钛合金焊接应用中优势明显.目前，关于钛合金钨极氩弧焊焊接接头的研究大多集中在工艺参数优化、显微组织、力学性能方面，对于其腐蚀性能的研究较少.

文中从轨道交通焊接结构件的实际应用工况条件出发，开展TC4钛合金基本性能的试验验证，研究TC4钛合金TIG焊接头的显微组织，并分别以大气环境和模拟海水环境为腐蚀介质，开展TC4钛合金接头电化学腐蚀和应力腐蚀行为研究，探究在模拟介质中焊接接头的腐蚀发生机制，为钛合金在轨道交通上的应用奠定理论和技术支持.

1 试验

1.1 试验准备

试验采用母材为TC4钛合金，试样尺寸为250 mm×100 mm×5 mm，化学成分见表1，选用TC4HS、STi6402两种实芯焊丝，直径为3.0 mm，其成分见表2，钨极氩弧焊选用纯度为99.99%的氩气做保护气体.

表1 TC4钛合金化学成分

表2 焊接材料的化学成分

钛合金高温中极易被氧化，故采用背保护装置、拖罩及焊枪共同输送氩气进行焊缝保护.背保护与拖罩中气流量控制在30～35 L/min，焊枪中气流量控制在9～12 L/min，焊接电流170 A，焊接电压15 V，焊接速度5.4 mm/s.

1.2 试验方法

(1) 显微组织观察

接头试样经过抛光后，用Kroll试剂(HF∶HNO3∶H2O=2∶1∶17)腐蚀，腐蚀时间控制在10～15 s.将制备好的接头试样放置于金相显微镜下观察不同区域的显微组织.

(2) 电化学腐蚀试验

电化学测试均采用传统的三电极测试体系进行试验，工作电极的试样面积为0.5 cm2.选用3.5%NaCl溶液作试验介质，每组试验重复测试3次.

测试顺序分别为开路电位(OCP)、电化学阻抗谱(EIS)和动电位扫描极化(PP).使用Origin软件对所测数据作开路电位图、Nyquist图、Bode图、Tafel图；使用CS-Studio5电化学分析软件和Z-Viewr软件分别对Nyquist图、Bode图和Tafel图进行拟合，绘制出拟合曲线并模拟出等效电路.

(3) 应力腐蚀试验

应力腐蚀试验在慢应变速率拉伸试验机(LETRY)上进行，试验温度为室温，拉伸环境分别为空气和3.5 % NaCl溶液模拟海水.试样分别放置于空气和模拟海水中进行慢应变速率试验，根据GB 15970.7-2017 钛合金应变速率为5×10-6/s，拉伸速率设置为0.009 mm/min.试验后通过扫描电镜观察断口形貌.

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

TC4钛合金TIG焊接头的宏观形貌如图1，焊接接头成形良好，无明显的气孔、裂纹、夹杂等焊接缺陷.焊缝处有明显的柱状晶，未见明显等轴晶.

图1 钛合金接头宏观金相Fig.1 Macroscopic metallography of titanium alloy joint

TC4钛合金在熔池凝固过程中，母材中的未熔金属与等轴晶会在熔合线附近产生联合结晶，由于温升的影响，焊缝中心附近的晶粒尺寸明显增大.焊缝打底和盖面区域分布着粗大的柱状晶.

图2为焊接接头各区域显微组织，焊缝区域分布着粗大的柱状晶和少量的等轴晶.从图2(a)～(f)中可观察到焊后组织均发生明显的变化，在盖面、打底及中间填充层形成了片状或长针状α′相组织，该组织为六方马氏体，是焊后连续冷却过程中以晶体切变的方式完成晶格重构，相邻的α′相具有相同的取向，形成明显的束域平行排列，其两侧有不同取向的α′束域交错排列，多种束域相互交织.且在α′晶界分布着β相，α′相含量较高，在盖面和填充区域含有少量网篮组织.

图2 接头显微组织Fig.2 Microstructure of joint

由于钛合金导热性较差，而在各个方向的散热条件比较均匀，容易形成等轴晶，如图2(g).在冷却过程中，随着温度降低，部分β相转变为针状α′(α″)相、以及过冷的β相等亚稳定相.因此，热影响区是由针状α′(α″)，过冷β相及残余α、β相组成的混合结构.靠近焊缝的α′相首先在晶界形成，在冷却过程中形成由细针状α′相和残余β相组成的交错组织.此时，焊缝区的针状α′相比针状马氏体小很多，如图2(h).

2.2 TC4钛合金TIG焊焊接接头电化学腐蚀研究

焊接接头在3.5%NaCl溶液中的电化学阻抗谱如图3.

图3 TC4接头电化学阻抗谱Fig.3 Electrochemical impedance spectrum of TC4 joints

根据图3EIS-Nyquist图和母材腐蚀电位E(VS SCE)为-0.425～-0.4 V，用Z-View软件拟合数据，如表3.用极化阻抗的值R2+R3来表征工作电极的耐蚀性能，一般认为，电阻越高，表示工作电极的耐蚀性能越优异.由表3可知，不同区域的耐蚀性能由高到低为：母材区>焊缝区>热影响区.

表3 TC4接头电化学阻抗谱拟合数据

接头区域在3.5%NaCl溶液中的阻抗谱(Bode图)如图4.在低频区，模值|Z|接近或超过105，说明在电极表面上存在着电阻层；同时，相位角θ的曲线斜率的绝对值不等于1，这说明了在电化学阻抗谱中，在电极表面有弥散行为的出现，因此在拟合等效电路过程中，用CPE1及CPE2代替纯电容C.

在Bode图的低频区，相位角θ几乎保持不变，这表明存在Rp阻抗结构元件；在Bode的中频区，相位角θ增大，表明存在Cdl结构元件；在Bode图的高频区，相位角θ保持不变，表明存在Rs阻抗结构元件.由此绘制出等效电路图，如图4(d).

图4 Bode图和等效电路图Fig.4 Bode diagram and equivalent circuit diagram

接头区域的极化曲线如图5.由图可知，在E(VS SCE)为-0.127 V～1.06 V，随着电位的增加，TC4钛合金焊缝区的电流密度几乎保持不变，这表明焊缝区发生了钝化反应，TC4钛合金焊缝表面形成了钝化膜.同时，在E(VS SCE)-0.065 V～0.738 V，随着电位的增加，热影响区的电流密度几乎保持不变，在E(VS SCE)为0.372 V存在轻微点蚀.

图5 接头极化曲线Fig.5 Polarization curve of joint

通过极化曲线的Tafel拟合，拟合数据如表4.

表4 Tafel拟合结果

腐蚀电流密度(Icorr)从大到小依次为热影响区>焊缝区>母材，腐蚀电位(Ecorr)从大到小依次为热影响区>母材>焊缝，在极化曲线中，一般认为拥有更高的腐蚀电位且同时拥有较小的腐蚀电流密度的工作电极，具有更好的耐腐蚀性能.考虑腐蚀电位存在测量误差，主要通过腐蚀电流密度来表征耐腐蚀性能.所以，通过极化曲线能够更加证明接头各区域的耐蚀性从高到低为：母材>焊缝>热影响区.

2.3 TC4钛合金TIG焊接头应力腐蚀研究

2.3.1 应力-应变曲线

将TC4焊接接头试样分别置于空气和海水中进行慢应变速率试验，得到的应力-应变曲线如图6.由图中可见，TC4接头在空气中抗拉强度达到772 MPa，断后延伸率为7.9%，在海水中慢应变的拉伸试样，其抗拉强度为766 MPa，断后延伸率为7%.TC4接头在海水和空气中的延伸率接近，说明材料在海水中表现出较好的抗应力腐蚀敏感性.

图6 接头在空气和海水中的应力应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of joints in air and sea

2.3.2 应力腐蚀敏感性指数

测量试验后试样的长度和截面积，计算接头延伸率δ、断面收缩率Ψ和相应的应力腐蚀敏感性指数F(δ)、F(Ψ)，见表 5.

表5 接头慢应变腐蚀试验数据

由表5可以直观地看到，TC4接头在空气和海水中慢应变试验后的延伸率和断面收缩率有所降低，说明海水的作用使得TC4焊接接头的力学性能在浸蚀过程中有所变化，但是相差很小，表明海水对TC4焊接接头的力学性能不会产生明显影响.同时，TC4接头在海水中的应力腐蚀敏感性指数F(δ)和F(Ψ)均小于15%，表明TC4接头对海水应力腐蚀敏感性较低.

2.3.3 应力腐蚀断口形貌

钛合金应力腐蚀微观断口如图7，7(a、b)分别为TC4在空气中、海水中拉伸微观断口形貌，断口形貌为浅韧窝及河流花样组成的复合型形貌，两种介质中的断口形貌相差较小.从而可以看出TC4钛合金接头应力腐蚀敏感性低.

图7 应力腐蚀微观断口Fig.7 Stress corrosion microfracture

3 结论

(1) TC4钛合金在熔池凝固过程中，母材中的未熔金属与等轴晶会在熔合线附近产生联合结晶，由于温升的影响，焊缝中心附近的晶粒尺寸明显增大.焊缝打底和盖面区域分布着粗大的柱状晶.

(2) 在3.5%NaCl溶液腐蚀介质中，TC4接头各区域的耐腐蚀性能从高到低为：母材>焊缝>热影响区.

(3) 对比TC4接头在空气和海水中慢应变试验后的延伸率和断面收缩率，TC4接头的力学性能受海水的影响不明显，其对海水应力腐蚀敏感性较低.