翟偉國，王少剛，羅傳孝，夏鴻博

(南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210016)

鈦在酸性、堿性、中性鹽水溶液和氧化性介質(zhì)中具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，因此鈦被大量用于制作各種化學(xué)反應(yīng)容器、熱交換器等許多耐腐蝕性產(chǎn)品，但工業(yè)純鈦的不足之處是其成本相對較高，而強(qiáng)度等力學(xué)性能仍不夠高。采用爆炸焊接方法生產(chǎn)的鈦-鋼復(fù)合板，兼有鈦的良好耐蝕性和普通鋼板的高強(qiáng)度的綜合性能特點(diǎn)，并且具有價(jià)格相對低廉的優(yōu)勢，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用［1－3］。由于爆炸復(fù)合板在成型過程中，受到瞬時(shí)高溫、高壓作用，如果工藝措施控制不當(dāng)，在復(fù)合板的界面結(jié)合處會(huì)出現(xiàn)合金元素?cái)U(kuò)散、熔化現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)合金元素偏析、析出脆性金屬間化合物、甚至形成微裂紋等缺陷，使其力學(xué)性能和耐蝕性能降低，嚴(yán)重影響復(fù)合板的使用性能［4－5］。依據(jù)實(shí)際調(diào)研及文獻(xiàn)查詢，目前有關(guān)爆炸焊接復(fù)合板的研究大多集中在基層與覆層材料之間的相互匹配、爆炸焊接工藝參數(shù)優(yōu)化以及復(fù)合板的微觀組織和力學(xué)性能分析測試等方面［6－7］。作為常用爆炸復(fù)合板中的一種，鈦-鋼復(fù)合板主要用于石油化工領(lǐng)域的反應(yīng)塔、換熱器、石油輸運(yùn)管道等設(shè)備，腐蝕失效是復(fù)合板結(jié)構(gòu)較為常見的失效現(xiàn)象之一，國內(nèi)外有關(guān)爆炸復(fù)合板在腐蝕方面的研究報(bào)道還比較少見。下面采用電化學(xué)腐蝕測試方法對鈦-鋼爆炸復(fù)合板的動(dòng)電位極化曲線和交流阻抗譜(Electrochemicalimpedancespectroscopy，EIS)進(jìn)行測定，評價(jià)復(fù)合板的耐腐蝕性能，并從微觀角度分析復(fù)合板的顯微組織結(jié)構(gòu)對其耐蝕性能的影響，以期為該類復(fù)合板在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)研究對象為以4 mm厚TA2工業(yè)純鈦?zhàn)鳛楦矊樱?4 mm厚Q345低合金高強(qiáng)鋼作為基層，采用爆炸焊接方法制備的鈦-鋼復(fù)合板。工業(yè)純鈦TA2中的雜質(zhì)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:C≤0.10，F(xiàn)e≤0.30，N≤0.05，H≤0.015，O≤0.25;Q345 鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 Q345低合金高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of Q345 low alloy high strength steel w，%

電化學(xué)腐蝕測試方法及步驟:分別截取TA2純鈦和爆炸焊接后獲得復(fù)合板的TA2側(cè)焊縫金屬腐蝕試樣作為研究電極。在試樣背面進(jìn)行錫焊銅絲導(dǎo)線，保持電極工作面積為10 mm×10 mm，除工作面積外其余部分采用A/B膠進(jìn)行固態(tài)封樣(制備的腐蝕試樣見圖1)。然后對電極工作表面進(jìn)行砂紙打磨、拋光并清理表面雜質(zhì)、污漬。采用CHI660A型電化學(xué)工作站分別測定兩種試樣的Tafel極化曲線，電極采用常規(guī)的三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，電解液為人工海水，海水的成分配比為:H2O(100 mL)+NaCl(2.67 g)+MgCl2(0.23 g)+Mg2SO4(0.33 g)，實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，測試前，試樣先在溶液中浸泡約40 min，使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定，然后測量材料的動(dòng)電位極化曲線，測試掃描速率為0.001 V/s。

圖1 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)試樣Fig．1 Sample of electrochemical corrosion test

測量過動(dòng)電位極化曲線后的試樣經(jīng)過重新清理，得到新鮮清潔的工作表面，進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜的測量，首先在腐蝕溶液中浸泡約40 min，使開路電位(OCP)穩(wěn)定，然后施加交流正弦激勵(lì)信號，幅值為5 mV，頻率掃描范圍為105～10－2Hz，掃描速率0.01 V/s，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對測定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到反映阻抗信息的 Nyquist圖和Bode圖。

為了分析探討復(fù)合板的微觀組織結(jié)構(gòu)對其耐蝕性能的影響，沿TA2/Q345復(fù)合板爆轟波方向截取金相觀察試樣，依次進(jìn)行砂紙打磨、拋光后，采用Keller試劑(成分配比為3 mL HF+6 mL HNO3+91 mL H2O)進(jìn)行腐蝕，然后在MM6型光學(xué)金相顯微鏡下觀察復(fù)合板結(jié)合界面的顯微組織形貌;采用D8 Advance型X射線衍射儀測定界面復(fù)合區(qū)域的相結(jié)構(gòu)組成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 電化學(xué)腐蝕測試

2.1.1 極化曲線

測得TA2純鈦和TA2-Q345復(fù)合板鈦側(cè)焊縫區(qū)在人工海水中的動(dòng)電位極化曲線見圖2。與此相對應(yīng)的自腐蝕電流和自腐蝕電位見表2。

圖2 純鈦及鈦-鋼復(fù)合板的動(dòng)電位極化曲線Fig．2 Potentiodynamic polarization curve of pure titanium and Titanium steel composite plate

表2 極化曲線測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of polarization curve

極化曲線測試結(jié)果表明，兩種試樣在腐蝕溶液中均表現(xiàn)出一定的鈍性。根據(jù)相關(guān)的腐蝕理論，最小腐蝕電流表示試樣在溶液中的抗腐蝕能力大小。一般來說腐蝕電流越小，材料表面的抗腐蝕能力就越強(qiáng);而腐蝕電位越高，則材料表面的抗腐蝕能力也越強(qiáng)。由表2中可見，TA2純鈦母材的腐蝕電位較高，且腐蝕電流較低，因此純鈦母材的耐腐蝕能力較強(qiáng)。與覆層母材相比，鈦-鋼復(fù)合板的耐蝕性能略有降低，但下降幅度不大，仍表現(xiàn)出較高的抗腐蝕性能。

已有的研究表明，純鈦在酸性、堿性以及中性溶液中的耐腐蝕性能優(yōu)良，特別是對氯離子等腐蝕性介質(zhì)具有較強(qiáng)的抗蝕能力，這是因?yàn)樵诩冣伇砻嬉仔纬衫喂讨旅艿难趸佲g化膜。鈦-鋼爆炸復(fù)合板的耐蝕性能有所降低，結(jié)合本文后續(xù)的微觀組織結(jié)構(gòu)分析，通常認(rèn)為造成復(fù)合板耐蝕性能下降的原因主要有以下兩方面:一是在爆炸焊接過程中，界面結(jié)合處的金屬局部發(fā)生熔化，產(chǎn)生微觀組織偏析、甚至出現(xiàn)缺陷;二是在結(jié)合界面兩側(cè)，合金元素發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，在復(fù)合板鈦一側(cè)析出含F(xiàn)e元素的新相。復(fù)合板在界面結(jié)合處缺陷的產(chǎn)生、新相的形成等使復(fù)合板在腐蝕環(huán)境下不能很好地被材料表面鈍化膜所保護(hù)，導(dǎo)致復(fù)合板的耐蝕性有所降低。

2.1.2 交流阻抗譜

測得的純鈦和鈦-鋼爆炸復(fù)合板在人工海水中的Nyquist圖見圖3。從圖3中可以看出，兩種試樣的容抗弧大小有一定差別，其中純鈦的容抗弧直徑較大，而鈦-鋼復(fù)合板試樣的容抗弧直徑相對較小，由此說明，純鈦母材表面的鈍化膜要比鈦-鋼復(fù)合板穩(wěn)定。測得的純鈦和鈦-鋼復(fù)合板的Bode圖見圖4。圖4其含義實(shí)質(zhì)上與Nyquist圖相一致，只是在表現(xiàn)形式上有所差別。從圖4可以看出，在低頻區(qū)，鈦母材試樣的|Z|值要比鈦-鋼復(fù)合板的|Z|值相對大些，而在中頻區(qū)和高頻區(qū)，兩者的|Z|值相差無幾，說明鈦的耐蝕性能比鈦-鋼復(fù)合板的要好，其表面的鈍化膜更完整，與圖3中的分析結(jié)果相一致。總體上來說，與覆層純鈦母材相比，本文中采用爆炸焊接方法制備的鈦-鋼復(fù)合板其耐腐蝕性能并未下降太多，從測試結(jié)果來看，鈦-鋼爆炸復(fù)合板具有較好的耐蝕性能，完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中對其耐腐蝕性能要求。

圖3 純鈦及鈦-鋼復(fù)合板在人工海水中的Nyquist圖Fig．3 The Nyquist picture of pure titanium and Titanium steel composite plate in artificial seawater

圖4 純鈦及鈦-鋼復(fù)合板在人工海水中的Bode圖Fig．4 The Bode picture of pure titanium and Titanium steel composite plate in artificial seawater

2.2 微觀結(jié)構(gòu)對其耐蝕性能的影響

由于材料的微觀組織結(jié)構(gòu)與其耐蝕性能密切相關(guān)，而爆炸復(fù)合板結(jié)合界面的微觀組織主要取決于其化學(xué)成分以及在爆炸焊接過程中所受的瞬時(shí)高溫高壓作用。在爆炸焊接時(shí)結(jié)合區(qū)域的受熱狀態(tài)通常表現(xiàn)為急冷急熱，在溫度和壓力的綜合作用下，金屬原子、離子和氣體分子等產(chǎn)生劇烈運(yùn)動(dòng)，相互之間發(fā)生碰撞，形成金屬射流，容易導(dǎo)致在結(jié)合界面處的微小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較大的化學(xué)成分變化、析出脆性相、以及產(chǎn)生微裂紋等缺陷。研究表明，在鈦-鋼復(fù)合板的爆炸焊接過程中，鐵與鈦在結(jié)合界面處可能形成FeTi和Fe2Ti等金屬間化合物，這些化合物如果大量存在將對材料的耐蝕性能造成很不利的影響。這是由于材料局部的化學(xué)成分不均勻、脆性金屬化合物的析出和各種缺陷容易在腐蝕溶液中形成微電池，進(jìn)而造成電化學(xué)腐蝕［8］。因此，有必要對爆炸復(fù)合板的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。

拍攝的TA2/Q345復(fù)合板結(jié)合界面的金相組織照片見圖5。

圖5 鈦-鋼復(fù)合板界面金相組織照片F(xiàn)ig．5 Microstructure pictures of Titanium steel composite plate interface

圖5上部為TA2鈦板，下部為Q345鋼。從圖5可以看出，結(jié)合界面呈典型的爆轟波形狀，Q345鋼側(cè)的金屬晶粒被拉成流線型，晶粒較細(xì)小，這是由于在爆炸焊接過程中，受到急冷急熱的熱循環(huán)作用使晶粒發(fā)生重結(jié)晶現(xiàn)象，組織得到細(xì)化，如圖5(a)中所示;TA2鈦側(cè)靠近焊縫區(qū)的晶粒沿爆轟方向被拉長呈流線形，且距界面越近變形程度越大，在漩渦處的晶粒變形最為嚴(yán)重，且有較多黑色熔融物產(chǎn)生，如圖5(b)中所示。晶粒發(fā)生較大程度的變形有可能形成新的化合物，同時(shí)在界面區(qū)域TA2側(cè)出現(xiàn)大量黑色斜線，稱之為絕熱剪切線，為爆炸焊接中產(chǎn)生的塑性變形線，說明這一側(cè)焊縫金屬產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力，結(jié)合界面處新相的形成和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生都會(huì)對復(fù)合板的耐蝕性能產(chǎn)生一定影響。

此外，由于材料組織中金屬間化合物的形成會(huì)對其耐蝕性能造成較大影響，因此分別對爆炸焊接前TA2母材和焊后復(fù)合板鈦側(cè)焊縫區(qū)進(jìn)行X射線衍射相結(jié)構(gòu)組成分析，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 鈦-鋼爆炸復(fù)合板的XRD圖譜Fig．6 XRD patterns of Titanium steel composite plate

對比圖6中(a)和(b)XRD分析結(jié)果，覆層鈦板僅由單一α-Ti相組成，具有優(yōu)異的耐蝕性能;而復(fù)合板結(jié)合界面靠近鈦側(cè)焊縫區(qū)由α-Ti和α-Fe兩相組成，這是由于爆炸焊接時(shí)，在結(jié)合界面處產(chǎn)生了復(fù)雜的冶金過程，局部發(fā)生熔化，F(xiàn)e和C等合金元素從Q345側(cè)向鈦一側(cè)擴(kuò)散，以至于在鈦側(cè)形成了新相。在腐蝕環(huán)境中，這些新相形成的區(qū)域?qū)?huì)成為耐蝕薄弱區(qū)域，易于形成微電池，腐蝕現(xiàn)象將會(huì)優(yōu)先在這些部位發(fā)生。不過從圖6(b)中可以看出，α-Fe相的衍射峰強(qiáng)度較小，說明形成的新相含量很少，盡管通過爆炸焊接獲得復(fù)合板的耐腐蝕性能有所下降，但是并未在結(jié)合界面處檢測到對腐蝕性能造成較大不利影響的鐵與鈦中間化合物。

綜上所述，盡管在爆炸焊接過程中難以避免地出現(xiàn)了合金元素?cái)U(kuò)散、新相析出和絕熱剪切線形成等現(xiàn)象，但由于數(shù)量少且分散，這些不利因素并未嚴(yán)重影響到鈦-鋼復(fù)合板的耐蝕性能。從前述的電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)中可以看到，本文中的鈦-鋼復(fù)合板具有較好的耐蝕性能，能夠滿足實(shí)際工程結(jié)構(gòu)對其耐腐蝕性能要求。

3 結(jié)論

(1)電化學(xué)腐蝕測試結(jié)果表明，TA2純鈦和TA2-Q345爆炸復(fù)合板在人工海水中均出現(xiàn)鈍性特征，TA2純鈦的自腐蝕電流較小，表面鈍化膜較為完整，雖然爆炸焊接使鈦-鋼復(fù)合板鈦側(cè)的耐蝕性有所降低，但下降的幅度不大，仍表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用對復(fù)合板的耐腐蝕性能要求;

(2)結(jié)合界面微觀組織結(jié)構(gòu)分析顯示，在TA2-Q345爆炸結(jié)合界面處發(fā)生的合金元素?cái)U(kuò)散、缺陷的產(chǎn)生，以及在靠近TA2側(cè)焊縫區(qū)中α-Fe新相的形成等是造成鈦-鋼復(fù)合板耐蝕性能有所降低的主要原因。

［1］ Findik F.Recent developments in explosive welding［J］.Materials and Design，2011，32(3):1081-1093.

［2］ 閆鴻浩，李曉杰.爆炸焊接技術(shù)應(yīng)用擴(kuò)展［J］.爆破，2005，22(1):14-15.

［3］ 閆力.鈦鋼復(fù)合板的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域［J］.中國鈦業(yè)，2011(3):12-14.

［4］ Kahramana N，Gulenc B，F(xiàn)indik F.Joining of titanium/stainless steel by explosive welding and effect on interface［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，169(2):127-133.

［5］ Moura V S，Lima L D，Pardal J M，et al.Influence of microstructure on the corrosion resistance of the duplex stainless steel UNS S31803［J］.Materials Characterization，?2008，59(8):1127-1132.

［6］ 楊揚(yáng)，張新明，李正華，等.爆炸復(fù)合的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.材料導(dǎo)報(bào)，1995(1):72-73.

［7］ 王克鴻，張德庫，張文軍.爆炸焊接技術(shù)研究進(jìn)展［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2011，40(2):1-4.

［8］ 韓麗青，林國標(biāo)，王自東.TA2/316L爆炸復(fù)合板的點(diǎn)蝕行為［J］稀有金屬材料與工程，2009，38(3):492-495.