固溶时效处理对TB5钛合金组织和电化学腐蚀行为的影响

钛合金因具有优异的耐腐蚀性能和较高的比强度等特点，被广泛应用于航空航天、船舶和生物医疗等行业。20世纪90年代，国外就已经实现了钛合金管材在石油天然气行业的应用[1-3]。

目前，在日本、美国和欧洲等国家和地区，钛焊管在很多领域正在逐步取代钛无缝管和其他管材，被广泛应用在石油能源工业、冶金工业、汽车工业等工程中[4]。另外，水资源缺乏已成为全世界最为关注和迫切需要解决的重要问题之一，在解决沿海地区淡水资源紧张的诸多方法中，海水淡化是一种切实可行的有效方法，而钛焊管是蒸馏海水淡化换热管的首选材料[5]。由于钛焊管具有优异的耐腐蚀性，可将其用于石油精炼的热交换器、蒸馏塔、反应器等，会大幅度降低设备的维修维护成本，提高设备的使用寿命，因此钛焊管在石油化工行业的应用将成为必然的发展趋势[6-7]。随着我国的经济飞速发展，也迫切需要在石油天然气的开采中使用更耐腐蚀的管材，因此近年来也努力尝试将钛焊管应用于石化行业。

我国对钛合金焊管在石油天然气方面的应用还处于初始阶段，在研制和应用中还存在很多问题，2015年超深高含硫气井才首次使用钛合金油管[8-9]。本研究以TB5钛合金为研究对象，分析研究了热处理对TB5钛合金电化学腐蚀性能的影响，通过试验得出更合理的热处理工艺，为TB5钛合金在石油天然气焊管中的应用提供一定的参考依据。

1、试验材料与方法

1.1试验材料

从TB5钛合金管材上截取试样，其化学成分见表1。

1.2试验方法

根据TB5钛合金α-β相转变温度区间（755~800℃），将TB5钛合金试样分为7组来分别做固溶和时效处理，热处理的工艺参数见表2。

使用布鲁克D8ADVANCE系列衍射仪对7组试样进行物相分析来获得TB5钛合金的物相组成；试样经过制样、打磨、抛光处理后使用徕卡DMi8金相显微镜来观察各组TB5钛合金试样的微观组织结构；电化学试验采用的仪器是RST5000系列电化学工作站，试验过程中OCP、EIS、Tafel试验所用到的溶液均为质量分数3.5%的氯化钠溶液，点蚀用到的溶液是5mol/L的盐酸溶液，盐酸溶液的配置要使用市场上36%的工业盐酸与去离子水以体积比1∶2.4进行配置，最终获得不同热处理条件下试样耐腐蚀性能数据。

2、试验结果与分析

2.1XRD分析

图1所示为3组固溶数据和4组时效数据的XRD分析图，可看出XRD图谱由β相和次生α相组两种衍射峰组成，固溶处理的3组样品以及时效温度为400℃和450℃时试样XRD衍射峰中全是β相，晶面指数分别为（110）、（200）、（211），无α相衍射峰出现。当时效温度为500℃时图谱中出现了明显的α相衍射峰，晶面指数分别为（100）、（101）、（102）、（110）。图2所示为XRD图谱的局部放大图，可以看到当时效温度达到550℃时，晶面指数为（100）和（101）的次生α相衍射峰强度较500℃时降低。并且晶面指数为（102）和（110）的次生相基本完全溶解。说明次生α相含量随着时效温度的升高先增多，到500℃时含量达到最 多，大于500℃后次生相的含量又开始减少。

2.2金相分析

图3所示为固溶处理试样的金相照片，可看出TB5钛合金固溶处理后为单一的β相组织，这与理论相吻合，根据钛合金的相变点公式可以算出其相变点温度大约为755℃[10]，为确保固溶温度在其相变点之上，试验最低固溶温度取为800℃，此时钛合金中的α相完全转变成β相。

此外还可以看出，随着固溶温度的升高，TB5钛合金的晶粒尺寸越来越大，800℃固溶时晶粒尺寸为86μm，950℃固溶时晶粒尺寸增大到了210μm，由此可见在TB5钛合金相变点以上的固溶处理效果为改变晶粒尺寸，且固溶温度越高晶粒尺寸越大。

图4所示为时效处理后的各组金相照片，当固溶温度过高时会导致β晶粒迅速长大，晶界体积相应减少，这样会使TB5钛合金试样一些性能降低，并且可能产生β脆性相[11]。为了保证试样良好的力学性能，以便对其之后的耐腐蚀性能的研究，选取800℃为固溶温度，在此固溶温度基础上进行时效。根据金相照片，400℃时效处理的组织仍为单一的β相组织，这是由于时效温度较低，析出次生α相是一个很慢的过程，组织反应速度慢，β相还来不及析出次生α相[12-13]；当时效温度达到500℃时可以观察出晶粒组织中析出大量的α相，并且分布均匀，几乎弥漫了全部的晶界；继续提高时效温度，当时效温度为550℃时，次生相的含量比500℃时少了很多，这是因为TB5钛合金在时效过程中同时存在次生相的析出和溶解，当时效温度过大时次生相的溶解速度将会大于其析出速度[10]，在之前晶粒中存在的弥散的次生相将会重新溶解到β相中。

2.3电化学测试分析

表3和图5为Tafel测试结果，测试溶液为质量分数3.5%的NaCl溶液。可以看到固溶的3组试样腐蚀电位和腐蚀电流密度有明显的趋势，随着固溶温度的升高，腐蚀电位越来越低，腐蚀电流密度越来越高，表明晶粒越小越耐腐蚀，这是因为晶界面积越大，晶界体积分数越高，必然会提供更多的活性位点，迅速形成保护钝化层[11-15]。

通过对比4组时效Tafel数据与3组固溶数据，可以发现时效后的试样腐蚀电位基本都有明显的提升，另外腐蚀电流密度也有明显下降。对比时效的4组数据可以看出，材料的耐腐蚀性随着时效温度的升高呈现出先升高后下降的趋势。综合上述规律可以看出，TB5钛合金经过时效后的耐腐蚀性优于固溶处理，且耐腐蚀性强弱与次生相的多少有关，次生相越多TB5钛合金的耐腐蚀性能越好。

图6所示为7组试样经过拟合后的阻抗谱Nyqust图，可以看出时效处理后的TB5钛合金的圆弧曲率半径均比固溶处理的圆弧半径大，代表着时效后的试样耐腐蚀性能更好。从3条固溶圆弧线来看，耐腐蚀性能的强弱由大到小对应的固溶温度依次为800℃、850℃和950℃，这与Tafel测试得到的结论一致。图6中圆弧曲率半径最大的是500℃时效的试样，呈现出的规律为随着时效温度的提高，材料的耐腐蚀性能先增大后减小，有一个峰值，这与此前的Tafel测试结果也符合。

3、结论

（1）随着固溶温度的提高，TB5钛合金的晶粒尺寸逐渐变大，950℃固溶处理比800℃固溶的尺寸增大了约125μm，TB5钛合金的耐腐蚀性随晶粒尺寸的增大而降低。

（2）由于次生α相的析出，TB5试样经过时效后的耐腐蚀性能要比经过固溶处理的显著提升，样品耐腐蚀性能随时效温度的提高呈现先上升后下降的趋势。

（3）耐电化学腐蚀性能最优的热处理工艺是800℃固溶+500℃时效、保温1h，腐蚀速率为1.44×10-3mm/a。

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作者简介： 孟亚阁 （ 1998 —）， 男， 石家庄铁道大学在读硕士研究生， 主要研究钛合金的腐蚀与防护。