夏鴻博，王少剛，賁海峰

(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)

鋁合金具有密度低、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能好、易于加工成形，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在許多工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。但是與鋼鐵等其它合金材料相比，其強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能較低，耐熱性能較差，在一定程度上限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的使用。如何利用鋁合金的低密度又使其具有優(yōu)異的綜合性能，以滿足某些特殊領(lǐng)域?qū)Σ牧系男阅芤?，一直是材料工作者致力于研究開發(fā)的重要課題之一。鈦及其合金具有比強(qiáng)度和比模量高、耐熱、耐腐蝕等特點(diǎn)，采用爆炸焊接方法制備的鈦/鋁復(fù)合板，在小幅度增加材料本身密度的同時(shí)，又能充分利用鈦優(yōu)異的耐腐蝕性能，從而大大提高材料的使用壽命［1-2］。目前，鈦/鋁復(fù)合板已在相關(guān)行業(yè)中得到應(yīng)用，文獻(xiàn)［3-4］對(duì)鈦/鋁爆炸復(fù)合板進(jìn)行了一定研究，主要集中在鈦/鋁復(fù)合板的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能及后續(xù)加工工藝方面，而有關(guān)鈦/鋁復(fù)合板的耐腐蝕性能研究還較為少見。該類復(fù)合板在實(shí)際應(yīng)用中一般會(huì)涉及腐蝕環(huán)境介質(zhì)，加上影響復(fù)合板爆炸焊接質(zhì)量的因素眾多，有可能影響其耐腐蝕性，因此有必要對(duì)鈦/鋁復(fù)合板的耐腐蝕性能進(jìn)行分析研究，以期為鈦/鋁復(fù)合板在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆囊? mm TA2工業(yè)純鈦?zhàn)鳛楦舶澹? mm 2A12硬鋁合金作為基板，采用爆炸焊接方法制備鈦/鋁復(fù)合板。TA2和2A12的化學(xué)成分分別見表1和表2。分別采用靜態(tài)失重法測(cè)定鈦/鋁復(fù)合板在人工海水中的失重腐蝕速率，以及采用電化學(xué)腐蝕測(cè)試方法測(cè)定復(fù)合板的動(dòng)電位極化曲線和交流阻抗譜，并與基板2A12鋁合金和覆板TA2在試驗(yàn)條件下的耐蝕情況進(jìn)行對(duì)比。

表1 TA2的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of TA2 w，%

表2 2A12硬鋁合金的化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of 2A12 w，%

(1)靜態(tài)失重法:分別制備2 mm×10 mm×10 mm的TA2純鈦、2 mm×10 mm×10 mm 2A12硬鋁合金以及2 mm(1 mm TA2+1 mm 2A12)×10 mm×10 mm鈦/鋁復(fù)合板腐蝕試樣，然后將其放入配比為H2O(100 ml)+NaCl(2.67 g)+MgCl2(0.23 g)+Mg2SO4(0.33 g)的人工海水中浸泡。每隔5 d測(cè)量3者的質(zhì)量損失，通過(guò)質(zhì)量損失的情況來(lái)比較3者的耐腐蝕性能。

(2)動(dòng)電位極化曲線法:分別截取TA2純鈦、2A12硬鋁合金和爆炸焊接后獲得鈦/鋁復(fù)合板焊縫金屬腐蝕試樣作為研究電極。在試樣背面利用導(dǎo)電膠和銅絲連接，外面再用A/B膠包裹住，露出面積為8 mm×8 mm的測(cè)試面，制備的腐蝕試樣如圖1所示。然后對(duì)測(cè)試面進(jìn)行打磨、拋光和清潔處理，以保證測(cè)試面的光潔性。利用CHI660A型電化學(xué)工作站分別測(cè)定3種試樣的Tafel極化曲線。所用的電極為三電極體系:飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。電解液采用人工海水溶液。在測(cè)試之前，先將試樣浸泡在溶液中約30 min，使系統(tǒng)穩(wěn)定，然后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)的掃描速度為0.001V/s。

圖1 電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)試樣Fig.1 Sample of electrochemical corrosion test

(3)交流阻抗法:對(duì)上述極化測(cè)試后的腐蝕試樣進(jìn)行清潔處理，然后對(duì)其進(jìn)行交流阻抗的測(cè)量。將清潔后的試樣在腐蝕液中浸泡約30 min，以獲得穩(wěn)定的開路電位(OCP)。之后進(jìn)行交流阻抗的測(cè)定，所采用的技術(shù)參數(shù)為:施加交流正弦激勵(lì)信號(hào)，幅值5 mV、掃描頻率 105～10－2Hz、掃描速度0.01 V/s。依據(jù)測(cè)試記錄的數(shù)據(jù)，繪制3種試樣的Nyquist圖和Bode圖。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 失重腐蝕速率

靜態(tài)失重法，其衡量標(biāo)準(zhǔn)為失重腐蝕速率，即單位面積上的材料在單位時(shí)間內(nèi)所損失的質(zhì)量。測(cè)得3種試樣的失質(zhì)量腐蝕速率見表3，拍攝試樣腐蝕后的點(diǎn)蝕形貌照片如圖2所示。表3中的數(shù)據(jù)為浸泡不同時(shí)間段后，計(jì)算出的失重腐蝕速率。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，在試驗(yàn)條件下，3種試樣的腐蝕速率由大到小的順序?yàn)?2A12＞鈦/鋁復(fù)合板＞TA2。

表3 復(fù)合板及基體母材的失重腐蝕速率Table 3 Weight-losing velocity of cladding and parent metals g/(m2·h)

圖2 3種材料在人工海水中的點(diǎn)蝕形貌Fig.2 Three materials’corrosion morphology in the artificial sea-water

在3種腐蝕試樣中，基體2A12鋁合金的耐腐蝕性能最差，這是因?yàn)樵谌斯づ渲玫暮Ｋ泻写罅康腃l－，易在腐蝕孔口處形成Al(OH)3腐蝕產(chǎn)物沉積層。一部分Cl－還會(huì)被吸收進(jìn)入腐蝕層，以AlCl3的形式存在［5-6］。從圖2(a)中鈦側(cè)表面的腐蝕形貌可以看出，腐蝕坑的尺寸小、數(shù)量極少，表明鈦的耐腐蝕性能好，這是由于在其表面容易形成一層牢固附著的致密的鈍化膜，使其難以發(fā)生點(diǎn)蝕。由于人造海水中還含有其他金屬元素，這就會(huì)使得鈦的氧化膜發(fā)生一定程度的擊穿，進(jìn)而發(fā)生點(diǎn)蝕，再加上鈦表面的微觀形貌本來(lái)就存在一定的凹凸不平，這也為鈦的點(diǎn)蝕提供了條件，導(dǎo)致其發(fā)生微量腐蝕。在圖2(c)中，上部為鋁、下部為鈦。復(fù)合板的耐腐蝕性能介于兩者之間。可以看到其腐蝕點(diǎn)主要位于界面處以及界面上方的2A12側(cè)。這是因?yàn)?，在人工海水環(huán)境下，鈦和鋁由于存在電負(fù)性差而形成了原電池效應(yīng)。由于鋁具有更高的電負(fù)性而作為陽(yáng)極受到腐蝕，鈦的耐腐蝕性能較強(qiáng)，鈦側(cè)受到的腐蝕很小。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在結(jié)合界面處的腐蝕相對(duì)較嚴(yán)重。這是由于爆炸焊接復(fù)合板在界面處可能存在較大的殘余應(yīng)力，在人工海水介質(zhì)作用下，發(fā)生了應(yīng)力腐蝕，另一方面，復(fù)合板結(jié)合界面處的顯微組織所示，在復(fù)合板界面處還存在著局部熔化物，這也會(huì)促進(jìn)復(fù)合界面處的腐蝕。

圖3 鈦/鋁復(fù)合板結(jié)合界面處局部熔化物Fig.3 Local melting in the interface of Ti-Al cladding

2.2 極化曲線

測(cè)得鈦/鋁復(fù)合板及基體母材在人工海水中的Tafel曲線如圖4所示，對(duì)應(yīng)的電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。通常，自腐蝕電位越大，材料就越難以發(fā)生電化學(xué)腐蝕，由表中的數(shù)據(jù)可以得出，3種試驗(yàn)材料耐腐蝕性能的大小順序?yàn)?TA2＞復(fù)合板＞2A12。3種材料的自腐蝕電流大小排序?yàn)門A2的最小，2A12的最大，復(fù)合板的居中。腐蝕電流越大，表明材料的腐蝕速率越快，材料越容易受到腐蝕。上述測(cè)試結(jié)果與浸泡失質(zhì)量法所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。圖5為動(dòng)電位極化曲線測(cè)試完成后拍攝的復(fù)合板試樣的腐蝕形貌照片。圖中左側(cè)為TA2，右側(cè)為2A12。從圖中可以看出，在2A12側(cè)可看到許多凸起的小顆粒狀形貌，這是2A12被腐蝕以后形成的，在文獻(xiàn)［7］中也觀察到了類似結(jié)果。

圖4 鈦/鋁復(fù)合板及基體母材在人工海水中Tafel曲線Fig.4 Tafel curve of Ti-Al cladding and parent metals

表4 極化曲線測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of Tafel curve

圖5 鈦/鋁復(fù)合板界面處的電化學(xué)腐蝕形貌Fig.5 Electrochemical corrosion morphology in the interface of Ti-Al cladding

2.3 交流阻抗譜

測(cè)得3種試樣在人工海水中的Nyquist圖和Bode圖分別如圖6～7所示。從圖6中可以看到，3種試樣的交流阻抗圖譜形態(tài)都表現(xiàn)為一個(gè)單容抗弧。在交流阻抗譜中，電荷遷移時(shí)受到的電阻大小可用Nyquist圖中容抗弧的半徑(Rt)來(lái)標(biāo)識(shí)。一般來(lái)說(shuō)，容抗弧的半徑即為材料耐腐蝕性能的標(biāo)志，容抗弧的半徑越大，表示材料的耐腐蝕性能越好?？梢钥闯?，TA2的容抗弧半徑大于2A12和復(fù)合板結(jié)合界面區(qū)，說(shuō)明TA2的耐腐蝕性能要比2A12和復(fù)合板結(jié)合界面區(qū)的好。其原因如前所述，TA2表面能夠迅速形成致密的鈍化膜，從而阻止材料受到腐蝕。

圖6 3種試樣在人工海水中的Nyquist圖Fig.6 Nyquist curve of three materials in artificial sea-water

圖7 3種試樣在人工海水中的Bode圖Fig.7 Bode curve of three materials in artificial sea-water

由圖7中3種材料在人工海水中的Bode圖可以看到，在中高頻(1～105Hz)區(qū)域，3種材料的相差不大，而在中低頻(10－2～1 Hz)區(qū)域，3種材料的|Z|值大小排序?yàn)門A2＞復(fù)合板結(jié)合界面區(qū) ＞2A12。阻抗越大，說(shuō)明材料表面膜層對(duì)電荷遷移的阻力越大，在材料與電解質(zhì)溶液之間的電極反應(yīng)發(fā)生的速度越慢［8］，表明材料的耐腐蝕性能越好。

3 結(jié)論

(1)靜態(tài)失重法和電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)條件下，TA2/2A12復(fù)合板的耐腐蝕性能介于其兩種組成材料之間，3種試樣的耐腐蝕性能由大到小的順序?yàn)?TA2＞復(fù)合板結(jié)合界面區(qū) ＞2A12，總體上鈦/鋁復(fù)合板具有較好的耐蝕性能。

(2)TA2/2A12爆炸復(fù)合板結(jié)合界面受到腐蝕可能是由于在爆炸焊接過(guò)程中結(jié)合界面處產(chǎn)生了局部熔融物和爆炸焊接殘余應(yīng)力所致。

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