TC4钛合金海水管系焊接接头应力腐蚀研究

引言

舰艇海水管系是舰艇推进保障系统、发电机组保障系统和辅助系统的重要组成部分，对舰艇运转的安全性和可靠性起着重要的作用[1] 。海水管系处在高盐、高湿和高温的工作环境中，往往会伴随严重的腐蚀问题[2] 。随着新材料技术的发展，钛合金以其耐腐蚀等优良的综合性能成为了海水管系的理想使用材料，美国、日本、俄罗斯等国家已经开展钛合金海水管系的应用研究，并逐步替换传统的铜镍合金等海水管系[3] 。

随着钛合金在舰艇海水管系上的应用，其焊接技术也越来越引起人们的重视，然而钛合金焊接时的焊接接头软化、强度降低和组织不均匀以及焊缝附近区域产生的残余应力和接头处的焊接缺陷[4]都会使其发生应力腐蚀。

现阶段的研究主要集中在钛合金焊接过程和接头力学性能上，对焊缝的应力腐蚀研究较少。本文以 TC4 钛合金为研究对象，通过慢应变速率拉伸试验，采用不同应变速率，研究了 2 mm 厚的 TIG 焊 TC4 钛合金焊接接头在 3.5%NaCl 溶液中的应力腐蚀断裂行为，通过观察应力腐蚀断口形貌，研究了 TC4 钛合金焊接接头断裂机理，为改善焊接接头的耐蚀性以及在海洋环境下的耐应力腐蚀性提供了试验基础。

1 、试验材料及方法

本试验所用 TC4 钛合金的主要成分如表 1 所示。

TC4 钛合金力学性能如表 2 所示。

慢应变拉伸试验试样尺寸如图 1 所示。试样用砂纸逐级打磨，用无水乙醇清洗，丙酮脱脂处理后，安装在慢拉伸机上。工作区浸泡在实验溶液中，实验溶液为 3.5%NaCl 溶液，用 40% 稀硫酸调试 PH 为 7~8 之间。试验过程中采用的拉伸速率如表 3 所示。试验环境为常温常压，试验结束后，截取接头断口，放置干燥皿中备用，采用 EPMA 进行观察。

图 1 试样尺寸示意图（单位 /mm）

为了表征 TC4 钛合金焊接接头在 3.5%NaCl 溶液中的应力腐蚀敏感性，定义应力腐蚀指数 PRA （即韧性损失）作为应力腐蚀敏感性的判断依据，PRA 值越小于 0.5说明材料有较高的应力腐蚀敏感性。

式中：RA 为断裂收缩率；A i 为拉伸前横截面积；A f 为拉伸后横街面积；RA e 为试验溶液中的 RA；RA c 为空气中的 RA。

2、 试验结果与分析

2.1 TC4 钛合金焊接接头组织

TC4 钛合金焊接接头金相组织如图 2 所示，TC4 钛合金焊接接头主要分为母材区、过渡区、细晶区、粗晶区以及焊缝区。过渡区组织相变发生不完全，晶粒尺寸接近母材且区域很窄。细晶区组织在相变点以上温度停留时间短，经过快速冷却后，较母材组织有所长大。粗晶区峰值温度接近熔点且高温停留时间长，加上处于相变点以上温度的 β 相原子扩散系数大，晶粒长大明显。焊缝区在相变温度以上停留的时间最长，冷却最慢，高温 β 相向 α' 相的过渡较充分，β 相晶粒严重粗大[5] ，焊缝区主要为针状 α' 相，α' 相在 β 晶界内交织排列，形成错综复杂的网状结构。由此可见粗晶区与焊缝区之间的熔合区有很强的组织不均匀性，主要为粗大的过热组织，塑性下降严重，又由于有马氏体存在，此区域硬度一般较大，是容易发生应力腐蚀的位置。

图 2 TC4 钛合金焊接接头金相组织

2.2 SSRT 行为分析

不同拉伸速率下试样在空气和海水中的慢拉伸应力-应变曲线如图 3 所示，拉伸变形存在弹性变形和塑性变形阶段，曲线的屈服并不明显，总体上海水中拉伸件的延伸率低于在空气中的延伸率，这说明材料在海水中表现出一定应力腐蚀敏感性。海水中拉伸曲线的强化阶段小于空气中拉伸曲线的强化阶段，说明在海水中材料的塑性有所降低。另外，材料在海水中的断裂强度低于在空气中的断裂强度，说明在海水环境下会促进材料位错运动，致使材料强度降低。

图 3 不同应变速率下载海水和空气中应力 - 应变曲线

试样在空气和海水中的慢拉伸结果如表 4 所示，随着拉伸速率的增加，断裂强度普遍降低，延伸率下降，说明高速率下材料应力腐蚀敏感性增加。当拉伸速率为0.24 mm/min 时的断裂强度会率高于 0.12 mm/min 拉伸速率下的断裂强度，这有可能与试样断裂位置有关，0.24 mm/min 拉伸速率断裂位置为融合区附近，组织主要为网状马氏体 α' 相，所以会导致断裂强度有所提高。在海水环境下慢拉伸的延伸率要低于在空气中的延伸率，拉伸速率达到 0.24 mm/min 时，延伸率下降最为明显，从 20.383% 下 降 到 13.324%。 由 表 4 可 知， 海水下的断面收缩率普遍低于空气中的断面收缩率，整体趋势为先增加后下降。通过式（1）和式（2）计算得出的敏感系数可知，当拉伸速率为 0.012 mm/min、0.018 mm/min、0.024 mm/min 时，TC4 钛 合 金 焊 接 接头应力腐蚀敏感性很低，断裂位置为母材，表现出较高的应力腐蚀抵抗能力。当拉伸速率达到 0.12 mm/min 时开始出现一定的应力腐蚀敏感性，随着拉伸速率的进一步增加，应力腐蚀敏感性不断加大，当拉伸速率达到0.24 mm/min 时，敏感系数 Iscc 可达到 62.28，且断裂位置出现在热影响区与焊缝区交界处，说明焊缝熔合区成为应力腐蚀敏感区。

图 4 不同应变速率下 TC4 钛合金焊接接头在海水环境中的宏观断口形貌

TC4 钛合金焊接接头表现出在低应变速率下对应力腐蚀不敏感，在高速率下对应力腐蚀较为敏感的特征，这与钛合金的钝化膜自愈性有关，当其钝化膜遭到破坏时，能够迅速修复，弥合形成新的保护膜[6] 。在较低拉伸速率下，氧化膜被破坏后新氧化膜形成较快，有很强的应力腐蚀抵抗能力。随着拉伸速率的提高，TC4 钛合金焊接接头的应力腐蚀敏感性增加，且断裂位置出现在熔合区附近，可能与此区域存在的少量缺陷、表面氧化导致接头质量的下降与组织不均匀性的共同作用有关，导致此处应力腐蚀敏感性变大。

2.3 断口形貌分析

不同拉伸速率下 TC4 钛合金焊接接头在海水中的宏观断口形貌如图 4 所示，在不同拉伸速率下，TC4 钛合金焊接接头都出现了不同程度的缩颈现象。实验过程中发现，随着拉伸速率的增加，缩颈程度下降，当拉伸速度为 0.24 mm/min 时，缩颈程度最小。慢拉伸后材料的断裂位置普遍发生在母材，只有当拉伸速率为0.24 mm/min 时，断裂位置发生在熔合区附近，熔合区成为敏感区域。综上所述可知，随着拉伸速率增大，TC4 钛合金应力腐蚀敏感性越大，熔合区由于其组织不均匀和可能存在的缺陷将会成为敏感性高的断裂位置。

不同应变速率下 TC4 钛合金焊接接头在海水环境中的微观形貌图如图 5 所示，图 5（a）是在 0.18 mm/min速率下的微观形貌图，图中可以看出断口存在大量韧窝，说明断裂形式主要为韧性断裂。韧窝包含着微孔的形成、长大、汇合并最终断裂，其主要收到夹杂物或第二相粒子影响，韧窝越大说明塑性越好，可见当拉伸速率为0.18 mm/min 时表现出一定良好的塑韧性。图 5（b）是在 0.24 mm/min 拉伸速率下的微观形貌，从断口微观形貌中可以看出，断裂位置出现韧窝，韧窝数量变少，主要以韧性断裂为主。在海水环境下，以不同速率断裂的TC4 钛合金焊接接头以韧性断裂为主，表现出良好的耐应力腐蚀特性，当速率增加到 0.24 mm/min 时表现出一定的应力腐蚀敏感程度上升，这与之前结果一致。

图 5 不同应变速率下 TC4 钛合金焊接接头在海水环境中的微观断口形貌

3、 结语

1）TC4 钛合金焊接接头熔合区附近为粗大的过热组织，存在严重的组织不均匀性，此区域晶粒长大严重，塑性下降较大，又因为有大量马氏体，硬度较高，成为焊接接头薄弱区域。

2）TC4 钛合金焊接接头在海水中随拉伸速率的增加，应力腐蚀敏感性不断增加。断面收缩率在拉伸速率为 0.24 mm/min 时最小，应力腐蚀敏感系数达到最大。拉伸速率较低时，并未表现出应力腐蚀敏感性，当速率增加时表现出一定应力腐蚀敏感性，但是 TC4钛合金焊接接头整体抵抗应力腐蚀能力较强，不易发生应力腐蚀。

3） TC4 钛合金焊接接头在拉伸速率为 0.24 mm/min时断裂位置出现在融合区附近，宏观断口显示缩颈程度较低，微观断口下观察到较少的韧窝。焊缝熔合区成为发生应力腐蚀敏感区域，这与融合区组织不均匀性、焊缝本身存在一定缺陷和应力协同作用的有关。

参考文献：

[1] 王炳钦 , 夏登辉 , 李卓玄 , 等 . 海水管系中异种金属管道耦接腐蚀模拟研究 [J]. 装备环境工程 ,2023(4):64-71.

[2] 张挺 , 杨锋 , 罗宁昭 , 等 . 船舶海水管路腐蚀及监测技术发展综述 [J]. 舰船科学技术 ,2019,41(13):1-5.

[3]董洁,李献民,姜钟林,等.钛在海军潜艇上的应用与展望[J].金属世界 ,2015(4):1-5.

[4] 房卫萍 , 肖铁 , 张宇鹏 , 等 . 超厚板 TC4 钛合金电子束焊接头应力腐蚀敏感性 [J] . 焊接学报 , 2019, 40(12) :121-128.

[5] 高晓刚 , 董俊慧 , 韩旭 . TC4 钛合金 TIG 焊接头组织对性能的影响 [J]. 焊接 ,2016(7):27-31+69-70.

[6] 钱江 , 赵满 , 姜祎 . 钛合金海水管路上舰应用影响与关键技术问题 [J]. 舰船科学技术 ,2019,41(9):55-56.

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