TC18钛合金板在海洋大气环境中的腐蚀行为研究

TC18 钛合金属于α+β型钛合金，该合金具有高强韧、高淬透、可焊性好等突出优点，适用于制造飞机起落架、拦阻钩、接头、框和梁等关键承力构件[1-5]。

目前关于TC18 钛合金的性能有部分研究[6-7]，主要集中在组织和性能与热处理制度的关系，而在户外大气环境中的腐蚀行为报道非常少。随着装备全天候、多地域服役要求，研究TC18 钛合金在我国典型自然大气环境下的大气腐蚀性能变得非常迫切。文中研究了TC18 钛合金在我国海洋大气环境下的大气腐蚀性能，揭示TC18 钛合金腐蚀形貌、抗拉强度、断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率在户外暴露6 年过程中的变化规律，以期为TC18 钛合金应用范围扩展和产品结构的设计与选材提供有益的借鉴和参考。

1、试验

1.1 试样

试验所用材料为近β型钛合金TC18，其化学成分见表1。将材料加工成100 mm×50 mm×3 mm 平板、φ10 mm 拉伸样、紧凑C（T）、标准C（T）试样等四种型号规格，采用挂牌方式进行试样标识。试验前所有试样用丙酮清洗掉试样表面的油污。

其中紧凑C（T）试样参照GB/T 4161—2007《金属材料平面应变断裂韧度KIC 试验方法》，将厚板加工成标准紧凑拉伸试样，厚度B 为25 mm，宽度W 为50 mm。标准C（T）试样参照GB 6398—2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》，将厚板加工成标准C（T）试样，厚度B 为12.5 mm，宽度W 为50 mm。

1.2 试验方法

试验选择湿热海洋环境海南万宁试验站同时开展海洋平台户外和近海户外暴露试验，其中平板试样暴露于近海户外，暴露地点距海90m，其余试样均暴露于平台户外，海洋平台暴露场入海25 m。

试验参照GB/T 14165—2008《金属和合金大气腐蚀试验现场试验的一般要求》的相关规定执行。近海户外大气暴露试验和海洋平台户外大气暴露试验的样品在户外朝南与水平面45°角放置，无背板暴露，其中断裂韧度（紧凑C（T）试样）和疲劳裂纹扩展试样（标准C（T）试样）预期的裂纹扩展方向向下。

试验总时间为6 年，每2 年为1 周期，定期取样进行宏微观形貌、拉伸性能、断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率等力学性能检测，最终对试验结果进行分析。

2、结果与分析

2.1 宏微观形貌

TC18 钛合金耐蚀性能优良，长期暴露于大气环境中主要表现为金属光泽下降和发黄发暗，微观下未见点蚀坑等明显腐蚀现象，如图1 所示。

2.2 力学性能

2.2.1 静态拉伸性能

参照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验第1 部分：室温试验方法》开展拉伸性能测试。TC18的抗拉强度及断后伸长率随试验时间的变化曲线如图2 所示。从图2 可以看出，海洋大气环境对TC18的静态拉伸性能有一定影响，但不显著。

2.2.2 断裂韧度

参照GB/T 4161—2007 对原始样、海洋平台户外大气暴露2 年和4 年试样进行断裂试验，得到断裂韧度变化数值见表2。从表2 可以看出，经4 年海洋大气环境试验后，海洋大气环境对钛合金的断裂韧度有一定影响，TC18 断裂韧度随试验时间的延长呈下降趋势，但下降幅度较小。试验4 年后，TC18 断裂韧度平均值为58.7 MPa·m^1/2，相比原始值下降了6.7%，最小值为54.4 MPa·m1/2，相比原始最小值下降了0.2%。

利用扫描电子显微镜（SEM）对户外暴露4 年的试验样品的断口自裂纹源区到扩展区进行观察，裂纹源处有台阶纹，疲劳裂纹扩展区有垂直于裂纹扩展方向的二次裂纹，其断口形貌表现为准解理断口[8-10]，如图3 所示。

2.2.3 疲劳裂纹扩展速率

参照GB 6398—2000 开展疲劳裂纹扩展速率性能。通过对TC18 暴露2，4，6 年试样的裂纹长度、循环数、裂纹尖端应力强度因子等试验数据处理得到da/dN-ΔK 关系，其中采用拟合a-N 曲线求导的方法确定da/dN，再用线性回归的方法拟合lg(da/dN)-lg(ΔK)数据点。由图4 可见，在双对数坐标中两者均呈现较好的线性关系，对曲线进行线性拟合可得到应力比为0.1 时的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劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅度之间的关系，应力强度因子幅度ΔK 是疲劳裂纹扩展的主要控制量，绝大部分金属材料的疲劳裂纹扩展参数n在2～4 之间，该试验测得的n 值分别为2.320，3.48，3.30，结果是完全合理的[11-13]。

对断口进行微观形貌分析，裂纹源处有撕裂细小韧窝，断口边沿有明显的腐蚀产物[14]。扩展区有明显的疲劳贝壳纹，断口为准解理断裂。瞬间断裂区断口为韧窝的韧性断裂，是在拉伸载荷作用下形成的，撕裂棱保护得很好，如图5 所示。

3、结论

1）TC18 钛合金耐蚀性能优良，长期暴露于海洋大气环境中主要表现为金属光泽下降和轻微发黄，微观下未见点蚀坑等明显腐蚀现象。

2）海洋大气环境对TC18 钛合金力学性能有一定影响，随着试验时间的延长，其抗拉强度和断裂韧度均有一定程度降低。其中试验4 年，TC18 断裂韧度平均值相比原始值下降了6.7%。

3）在da/dN-ΔK 双对数坐标中两者均呈现很好的线性关系，应力比为0.1 时的Paris 公式为：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）疲劳裂纹扩展试样断口形貌显示，裂纹源处有撕裂细小韧窝，断口边沿有明显的腐蚀产物，扩展区有明显的疲劳贝壳纹，断口为准解理断裂，瞬间断裂区断口为韧窝的韧性断裂。

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