引言(yan)
舰艇海(hai)水(shui)管(guan)系是(shi)舰(jian)艇(ting)推进(jin)保障系统、发(fa)电机(ji)组(zu)保(bao)障系统和(he)辅(fu)助(zhu)系(xi)统的(de)重(zhong)要组成部(bu)分，对舰艇运(yun)转(zhuan)的安全(quan)性和可(ke)靠性起着重要的作用(yong)[1]。海(hai)水管(guan)系(xi)处(chu)在高盐、高湿和(he)高温的工(gong)作环(huan)境中(zhong)，往往(wang)会(hui)伴(ban)随(sui)严重的(de)腐(fu)蚀(shi)问题(ti)[2]。随着新材(cai)料技术的发展，钛(tai)合(he)金(jin)以(yi)其(qi)耐(nai)腐蚀(shi)等(deng)优良(liang)的综合(he)性(xing)能(neng)成(cheng)为了(le)海(hai)水管系的(de)理想(xiang)使(shi)用(yong)材(cai)料(liao)，美(mei)国、日本、俄(e)罗(luo)斯(si)等国家已(yi)经(jing)开展钛(tai)合金(jin)海(hai)水(shui)管(guan)系(xi)的应用研(yan)究(jiu)，并(bing)逐(zhu)步替(ti)换传统的(de)铜镍合(he)金(jin)等海水管系[3]。
随着(zhe)钛合(he)金(jin)在舰艇(ting)海(hai)水管系(xi)上的应(ying)用(yong)，其焊(han)接(jie)技(ji)术也越(yue)来(lai)越引起(qi)人(ren)们(men)的(de)重(zhong)视，然而(er)钛(tai)合(he)金焊接(jie)时的焊(han)接接(jie)头软化(hua)、强度(du)降(jiang)低(di)和组织不(bu)均匀(yun)以(yi)及焊缝附近(jin)区(qu)域(yu)产生的残(can)余应(ying)力(li)和接头处(chu)的焊接(jie)缺(que)陷[4]都会(hui)使其发(fa)生(sheng)应(ying)力腐(fu)蚀。
现(xian)阶(jie)段(duan)的研(yan)究(jiu)主(zhu)要集中(zhong)在(zai)钛合(he)金焊(han)接(jie)过程和接(jie)头(tou)力(li)学(xue)性(xing)能上(shang)，对(dui)焊(han)缝(feng)的(de)应(ying)力腐蚀(shi)研究较(jiao)少(shao)。本文以TC4钛(tai)合金为研究(jiu)对象，通(tong)过慢应(ying)变速率拉伸(shen)试(shi)验，采用(yong)不同(tong)应变(bian)速(su)率(lv)，研究(jiu)了2mm厚(hou)的TIG焊TC4钛合金焊(han)接(jie)接(jie)头(tou)在(zai)3.5%NaCl溶液中(zhong)的(de)应(ying)力(li)腐(fu)蚀断(duan)裂行(xing)为，通过(guo)观察应力(li)腐蚀断(duan)口形貌，研(yan)究(jiu)了TC4钛合金(jin)焊(han)接接(jie)头(tou)断裂(lie)机(ji)理，为改善焊接(jie)接头的耐(nai)蚀(shi)性(xing)以(yi)及在(zai)海洋环(huan)境下(xia)的耐(nai)应力(li)腐蚀(shi)性(xing)提供(gong)了试验基(ji)础(chu)。
1、试(shi)验(yan)材(cai)料(liao)及(ji)方(fang)法(fa)
本(ben)试(shi)验所(suo)用TC4钛合(he)金的(de)主(zhu)要(yao)成(cheng)分如(ru)表(biao)1所(suo)示(shi)。
TC4钛(tai)合(he)金(jin)力(li)学(xue)性能如(ru)表2所示(shi)。
慢应变拉(la)伸(shen)试(shi)验试样(yang)尺寸(cun)如图1所(suo)示。试样(yang)用(yong)砂纸逐(zhu)级打(da)磨(mo)，用无水(shui)乙醇(chun)清洗(xi)，丙酮脱(tuo)脂(zhi)处(chu)理后，安(an)装在(zai)慢(man)拉(la)伸机(ji)上。工(gong)作(zuo)区浸泡在(zai)实(shi)验(yan)溶(rong)液中(zhong)，实验溶(rong)液为(wei)3.5%NaCl溶液(ye)，用(yong)40%稀硫酸(suan)调试(shi)PH为7~8之间。试验(yan)过(guo)程中(zhong)采(cai)用(yong)的(de)拉伸(shen)速(su)率如(ru)表(biao)3所(suo)示(shi)。试(shi)验(yan)环境(jing)为常(chang)温常(chang)压(ya)，试(shi)验结(jie)束后，截(jie)取(qu)接头(tou)断口(kou)，放置干(gan)燥(zao)皿(min)中(zhong)备用(yong)，采用EPMA进(jin)行(xing)观察。
为(wei)了表(biao)征TC4钛(tai)合金(jin)焊接接头(tou)在3.5%NaCl溶液(ye)中的(de)应力腐蚀(shi)敏(min)感(gan)性(xing)，定(ding)义应力腐(fu)蚀(shi)指数PRA（即韧(ren)性(xing)损失(shi)）作(zuo)为(wei)应力(li)腐(fu)蚀(shi)敏(min)感(gan)性的(de)判断依(yi)据(ju)，PRA值越(yue)小(xiao)于(yu)0.5说(shuo)明(ming)材料有较高(gao)的(de)应(ying)力腐蚀(shi)敏(min)感(gan)性。式(shi)中：
RA为断裂(lie)收(shou)缩率(lv)；Ai为(wei)拉伸前(qian)横截面(mian)积(ji)；Af为(wei)拉(la)伸后(hou)横街面(mian)积；RAe为(wei)试(shi)验(yan)溶液(ye)中(zhong)的RA；RAc为(wei)空(kong)气(qi)中(zhong)的(de)RA。
2、试验结果(guo)与分析
2.1TC4钛(tai)合金(jin)焊(han)接(jie)接头(tou)组(zu)织(zhi)
TC4钛合(he)金焊接接头金相组织(zhi)如(ru)图2所(suo)示(shi)，TC4钛合(he)金(jin)焊接接(jie)头主要(yao)分(fen)为(wei)母材区(qu)、过渡(du)区、细(xi)晶(jing)区、粗(cu)晶区以及焊(han)缝(feng)区。过(guo)渡(du)区组(zu)织(zhi)相变发生(sheng)不完(wan)全(quan)，晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)接(jie)近(jin)母(mu)材(cai)且(qie)区(qu)域(yu)很窄。细(xi)晶区(qu)组(zu)织(zhi)在相(xiang)变(bian)点以上温(wen)度停留(liu)时间短，经过快速(su)冷(leng)却(que)后(hou)，较母(mu)材组织(zhi)有(you)所长大(da)。粗晶(jing)区(qu)峰值(zhi)温(wen)度(du)接(jie)近(jin)熔点且高温(wen)停留时间长，加上处(chu)于相(xiang)变点(dian)以(yi)上(shang)温度(du)的(de)β相(xiang)原(yuan)子(zi)扩(kuo)散(san)系(xi)数(shu)大，晶粒长大(da)明显。
焊(han)缝区在(zai)相(xiang)变(bian)温度(du)以上停(ting)留(liu)的时间(jian)最(zui)长，冷却(que)最(zui)慢(man)，高温(wen)β相(xiang)向(xiang)α'相的过(guo)渡(du)较充(chong)分(fen)，β相(xiang)晶粒严重粗(cu)大[5]，焊缝(feng)区主要为针状(zhuang)α'相，α'相(xiang)在(zai)β晶(jing)界内(nei)交(jiao)织排列(lie)，形成错(cuo)综(zong)复(fu)杂的(de)网状(zhuang)结(jie)构(gou)。由此可(ke)见(jian)粗(cu)晶(jing)区(qu)与(yu)焊缝(feng)区之间(jian)的熔合区(qu)有很强(qiang)的(de)组织不(bu)均匀性，主(zhu)要为粗(cu)大(da)的(de)过(guo)热组(zu)织，塑(su)性(xing)下(xia)降(jiang)严(yan)重(zhong)，又由(you)于(yu)有(you)马氏体(ti)存(cun)在(zai)，此区域硬(ying)度(du)一(yi)般(ban)较大，是(shi)容易发生应(ying)力腐(fu)蚀的(de)位(wei)置(zhi)。
2.2SSRT行为(wei)分(fen)析(xi)
不同拉伸速率下试样在(zai)空(kong)气(qi)和海(hai)水(shui)中(zhong)的慢拉伸应(ying)力-应(ying)变曲(qu)线(xian)如图3所(suo)示，拉(la)伸(shen)变(bian)形存在(zai)弹(dan)性变(bian)形(xing)和塑(su)性(xing)变(bian)形(xing)阶(jie)段，曲(qu)线(xian)的屈(qu)服(fu)并(bing)不(bu)明显，总(zong)体上海水中拉(la)伸(shen)件(jian)的延伸率低(di)于(yu)在空气中的延伸(shen)率，这(zhe)说明材料(liao)在海水中表(biao)现出(chu)一定(ding)应力腐蚀敏感性。海(hai)水中(zhong)拉(la)伸(shen)曲线的(de)强化(hua)阶段(duan)小于空(kong)气(qi)中拉伸(shen)曲线(xian)的强(qiang)化阶段，说明(ming)在(zai)海(hai)水(shui)中材料的塑性有(you)所(suo)降低。另(ling)外，材料在(zai)海(hai)水中的(de)断裂强(qiang)度(du)低(di)于(yu)在(zai)空(kong)气(qi)中的(de)断裂强度(du)，说(shuo)明在(zai)海水(shui)环境(jing)下会促进(jin)材(cai)料位(wei)错运动(dong)，致使材(cai)料(liao)强(qiang)度(du)降(jiang)低。
试(shi)样(yang)在(zai)空(kong)气(qi)和海(hai)水中的慢(man)拉伸(shen)结果如(ru)表4所(suo)示(shi)，随(sui)着(zhe)拉(la)伸速(su)率(lv)的增加，断(duan)裂(lie)强(qiang)度(du)普(pu)遍降(jiang)低(di)，延伸(shen)率(lv)下降(jiang)，说明高(gao)速率(lv)下(xia)材(cai)料应力腐(fu)蚀敏感性增加(jia)。当(dang)拉(la)伸速率(lv)为(wei)0.24mm/min时的(de)断裂(lie)强度会(hui)率高(gao)于(yu)0.12mm/min拉伸(shen)速(su)率下的(de)断裂强度，这有(you)可(ke)能与(yu)试样(yang)断(duan)裂(lie)位(wei)置(zhi)有(you)关，0.24mm/min拉伸(shen)速率断裂位(wei)置为融(rong)合区(qu)附近，组织(zhi)主(zhu)要为(wei)网状(zhuang)马氏(shi)体α'相，所以(yi)会导(dao)致(zhi)断裂(lie)强度(du)有所提(ti)高。在海(hai)水环(huan)境下(xia)慢(man)拉伸(shen)的延伸(shen)率要(yao)低于(yu)在空(kong)气中的延伸(shen)率，拉伸速率达到0.24mm/min时，延(yan)伸(shen)率(lv)下降(jiang)最(zui)为(wei)明(ming)显(xian)，从(cong)20.383%下降(jiang)到(dao)13.324%。由(you)表4可知(zhi)，海(hai)水(shui)下(xia)的断(duan)面收缩率(lv)普(pu)遍低于(yu)空(kong)气(qi)中(zhong)的(de)断(duan)面(mian)收(shou)缩(suo)率，整(zheng)体(ti)趋势为(wei)先增(zeng)加(jia)后(hou)下降(jiang)。通过(guo)式（1）和式（2）计算(suan)得(de)出(chu)的敏(min)感(gan)系(xi)数可知(zhi)，当(dang)拉(la)伸速(su)率(lv)为(wei)0.012mm/min、0.018mm/min、0.024mm/min时，TC4钛合金(jin)焊接接头(tou)应(ying)力(li)腐(fu)蚀敏(min)感(gan)性(xing)很低，断裂(lie)位置为(wei)母(mu)材(cai)，表现出较(jiao)高的应力腐(fu)蚀抵抗(kang)能(neng)力(li)。当拉(la)伸(shen)速(su)率(lv)达到0.12mm/min时开始出(chu)现一(yi)定(ding)的(de)应力(li)腐蚀(shi)敏感性(xing)，随(sui)着拉伸速(su)率的(de)进(jin)一步(bu)增加，应(ying)力腐蚀敏(min)感性不断加大(da)，当拉伸速率达(da)到(dao)0.24mm/min时(shi)，敏感系(xi)数(shu)Iscc可达到62.28，且(qie)断裂(lie)位(wei)置出现在(zai)热(re)影响(xiang)区与焊(han)缝(feng)区交界(jie)处，说明焊(han)缝(feng)熔(rong)合(he)区(qu)成(cheng)为应(ying)力(li)腐蚀敏(min)感区(qu)。
TC4钛(tai)合金(jin)焊(han)接(jie)接(jie)头表(biao)现出在低应变(bian)速(su)率下(xia)对(dui)应力腐蚀不敏(min)感，在高速率(lv)下对应(ying)力腐蚀(shi)较(jiao)为敏(min)感(gan)的特征，这(zhe)与(yu)钛(tai)合(he)金(jin)的钝(dun)化膜(mo)自愈性(xing)有(you)关(guan)，当其钝化(hua)膜(mo)遭(zao)到破坏时(shi)，能够(gou)迅(xun)速修(xiu)复，弥(mi)合形(xing)成(cheng)新(xin)的保护膜[6]。在(zai)较低拉(la)伸(shen)速率下(xia)，氧化膜被破坏后(hou)新(xin)氧化膜(mo)形成(cheng)较快，有(you)很(hen)强的应力腐蚀抵(di)抗(kang)能(neng)力。随(sui)着拉伸速(su)率的(de)提高，TC4钛合(he)金焊接接(jie)头(tou)的应(ying)力腐(fu)蚀(shi)敏(min)感(gan)性增加(jia)，且断裂(lie)位置出(chu)现在(zai)熔(rong)合(he)区附(fu)近(jin)，可能与此(ci)区域(yu)存在的(de)少(shao)量(liang)缺陷(xian)、表面氧化(hua)导致(zhi)接头质(zhi)量(liang)的下(xia)降(jiang)与(yu)组织(zhi)不(bu)均(jun)匀(yun)性的共(gong)同作用有(you)关(guan)，导(dao)致此处(chu)应(ying)力(li)腐蚀敏感性变(bian)大。
2.3断(duan)口形貌(mao)分(fen)析
不(bu)同拉伸速(su)率下(xia)TC4钛(tai)合金(jin)焊接(jie)接头在(zai)海水(shui)中的宏(hong)观(guan)断口形貌(mao)如(ru)图(tu)4所(suo)示，在不(bu)同(tong)拉(la)伸(shen)速率(lv)下，TC4钛合金焊接(jie)接头都出(chu)现(xian)了不同程度(du)的缩颈(jing)现(xian)象(xiang)。实(shi)验(yan)过(guo)程中发(fa)现，随(sui)着拉(la)伸(shen)速(su)率(lv)的增(zeng)加，缩(suo)颈程度(du)下(xia)降(jiang)，当(dang)拉(la)伸(shen)速度为0.24mm/min时，缩颈程(cheng)度(du)最小(xiao)。慢(man)拉伸后材料(liao)的(de)断裂(lie)位置普遍发生(sheng)在(zai)母材，只有当(dang)拉伸(shen)速率为0.24mm/min时(shi)，断(duan)裂位置(zhi)发生(sheng)在(zai)熔合(he)区(qu)附近，熔(rong)合(he)区(qu)成为(wei)敏(min)感区(qu)域。综上(shang)所述可知，随着拉伸(shen)速率(lv)增(zeng)大，TC4钛合(he)金(jin)应力(li)腐蚀(shi)敏感(gan)性(xing)越大(da)，熔(rong)合区(qu)由(you)于(yu)其(qi)组(zu)织不均(jun)匀和(he)可(ke)能存(cun)在(zai)的缺陷将会成(cheng)为(wei)敏(min)感性高(gao)的断(duan)裂位(wei)置(zhi)。
不同应变速(su)率下(xia)TC4钛合金焊接接(jie)头(tou)在(zai)海(hai)水环境(jing)中的(de)微观(guan)形(xing)貌(mao)图(tu)如图(tu)5所示，图5（a）是在(zai)0.18mm/min速(su)率下(xia)的微(wei)观(guan)形(xing)貌(mao)图(tu)，图(tu)中(zhong)可以看出断(duan)口存(cun)在大量韧窝，说明断裂(lie)形式主(zhu)要(yao)为(wei)韧(ren)性断(duan)裂。韧(ren)窝包(bao)含(han)着微孔(kong)的(de)形成(cheng)、长大(da)、汇合并(bing)最(zui)终(zhong)断(duan)裂，其(qi)主(zhu)要收到(dao)夹(jia)杂物或(huo)第(di)二(er)相粒子(zi)影响(xiang)，韧窝(wo)越(yue)大说明(ming)塑(su)性越(yue)好，可见(jian)当拉伸(shen)速(su)率为(wei)0.18mm/min时表(biao)现出(chu)一(yi)定(ding)良好的(de)塑韧性(xing)。图(tu)5（b）是(shi)在0.24mm/min拉(la)伸(shen)速率下(xia)的微(wei)观(guan)形貌(mao)，从(cong)断口微观(guan)形貌(mao)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出，断裂位置出现(xian)韧窝(wo)，韧(ren)窝(wo)数量(liang)变(bian)少，主(zhu)要(yao)以(yi)韧(ren)性(xing)断裂为主。在海水(shui)环(huan)境(jing)下，以(yi)不(bu)同速率(lv)断裂(lie)的TC4钛合(he)金焊接(jie)接(jie)头以韧(ren)性(xing)断(duan)裂为主(zhu)，表现出(chu)良好(hao)的耐应力(li)腐(fu)蚀特(te)性，当速率(lv)增加(jia)到0.24mm/min时表(biao)现出(chu)一(yi)定(ding)的应力腐(fu)蚀(shi)敏(min)感(gan)程度(du)上升(sheng)，这与(yu)之(zhi)前(qian)结果一致。
3、结(jie)语(yu)
1）TC4钛合金(jin)焊接接头(tou)熔合(he)区附近(jin)为粗(cu)大的过热(re)组(zu)织，存在(zai)严重的组织(zhi)不(bu)均匀性(xing)，此(ci)区域(yu)晶粒(li)长(zhang)大严(yan)重，塑性(xing)下(xia)降(jiang)较大(da)，又(you)因(yin)为(wei)有大(da)量马(ma)氏(shi)体(ti)，硬度较(jiao)高，成为焊接接(jie)头薄弱区(qu)域。
2）TC4钛(tai)合金焊(han)接(jie)接(jie)头(tou)在海(hai)水(shui)中随(sui)拉(la)伸(shen)速(su)率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)，应(ying)力腐蚀(shi)敏感性不(bu)断(duan)增(zeng)加(jia)。断(duan)面(mian)收缩率(lv)在拉(la)伸速率为(wei)0.24mm/min时(shi)最小(xiao)，应力(li)腐蚀敏(min)感(gan)系数(shu)达到(dao)最大。拉(la)伸速率较(jiao)低(di)时(shi)，并(bing)未(wei)表(biao)现出应(ying)力腐(fu)蚀(shi)敏感(gan)性，当(dang)速率(lv)增加时(shi)表现出一(yi)定(ding)应(ying)力腐蚀敏(min)感(gan)性(xing)，但(dan)是(shi)TC4钛合金(jin)焊(han)接(jie)接头整体抵(di)抗应力(li)腐蚀能(neng)力较强(qiang)，不易(yi)发生(sheng)应力(li)腐(fu)蚀。
3）TC4钛合(he)金焊接接头在(zai)拉伸(shen)速率(lv)为(wei)0.24mm/min时断裂位置(zhi)出(chu)现(xian)在融合(he)区(qu)附(fu)近(jin)，宏观(guan)断(duan)口(kou)显(xian)示(shi)缩(suo)颈(jing)程度较(jiao)低，微(wei)观断口下(xia)观察(cha)到(dao)较少的韧窝(wo)。焊缝(feng)熔(rong)合区成为(wei)发生应力(li)腐蚀敏感区(qu)域(yu)，这(zhe)与(yu)融合区(qu)组织不均匀(yun)性、焊(han)缝本身存在(zai)一定缺(que)陷和应力协(xie)同(tong)作用的有关(guan)。
参考(kao)文献(xian)：
[1]王(wang)炳(bing)钦,夏(xia)登辉,李(li)卓(zhuo)玄,等(deng).海水(shui)管(guan)系中异(yi)种金(jin)属管道(dao)耦接腐(fu)蚀(shi)模拟(ni)研(yan)究(jiu)[J].装(zhuang)备环境(jing)工(gong)程,2023(4):64-71.
[2]张挺,杨(yang)锋,罗(luo)宁昭(zhao),等(deng).船舶(bo)海水(shui)管路腐(fu)蚀及监(jian)测(ce)技术(shu)发展(zhan)综(zong)述(shu)[J].舰(jian)船(chuan)科学技术,2019,41(13):1-5.
[3]董(dong)洁(jie),李(li)献民,姜钟林,等.钛在海(hai)军(jun)潜(qian)艇上的应用(yong)与展(zhan)望[J].金(jin)属世(shi)界,2015(4):1-5.
[4]房(fang)卫(wei)萍,肖铁,张(zhang)宇(yu)鹏(peng),等(deng).超(chao)厚板(ban)TC4钛(tai)合(he)金(jin)电子(zi)束焊(han)接头(tou)应(ying)力(li)腐蚀敏感性(xing)[J].焊接学(xue)报,2019,40(12):121-128.
[5]高晓刚,董(dong)俊慧,韩(han)旭.TC4钛(tai)合(he)金TIG焊(han)接(jie)头组织对(dui)性(xing)能(neng)的(de)影响[J].焊接,2016(7):27-31+69-70.
[6]钱(qian)江,赵满,姜(jiang)祎.钛合(he)金海(hai)水管路上舰(jian)应用(yong)影响(xiang)与(yu)关(guan)键(jian)技(ji)术问(wen)题(ti)[J].舰船科学(xue)技术,2019,41(9):55-56.
相(xiang)关链(lian)接
