引言

钛合金相对于传统钢材拥有密度幼、比强度高、耐侵蚀、无磁性、抗冲击震荡蹬着良特质
，被称作“海洋金属”
，是一种梦想的船用金属资料。双态组织钛合金因其混合了初生等轴a相与晶间针状β相,兼备了等轴组织和魏氏组织的利益,阐发出优良的综合机能,在工程方面利用最为宽泛。我国近年来研发了一系列船用钛合金如:TA23、Ti91、TA5、TC11等,其中TA23(Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo)的综合机能比力优良
，利用极度宽泛。大量钻研批注,在钛合金中参与Ta,能够显著提高合金的抗侵蚀机能,并且对钛钽合金在强酸介质中的侵蚀机能发展了钻研[7-8]。同时有钻研批注,在钛合金中参与Ta固然能够提高其侵蚀机能,但是会造成力学机能的恶化
，无法宽泛在船舶领域推广[9]。因而
，有必要钻研在钛合金中Ta的合适参与量以及对合金在海水中的耐侵蚀机能,以拓展钽钛合金在船舶等领域的利用与发展。为此
，笔者系统钻研分歧Ta含量对TA23合金微观组织、显微硬度和化学侵蚀机能的影响
，旨在优化TA23合金的力学和侵蚀机能匹配性
，为其在船舶领域的推广利用提供理论凭据。

1、试验资料及步骤

TA23合金的名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo。本试验在TA23合金的基础上参与了分歧含量的Ta元素,造备出分歧Ta含量的TA23合金,其化学成分如表1所示。

表1 合金化学成分

Table 1 Chemical compositions of different samples%

利用OLYMPUS-BX51M显微镜对分歧Ta含量TA23合金的金相显微组织进行观察
，金相试样选取机械抛光造备
，侵蚀剂选取3%HF+7%HNO3+90%H2O,侵蚀10~15s后立即水冲并吹干。利用UIV-X射线衍射仪(XRD)对三种分歧Ta含量TA23合金的物相进行分析。使用HV-1000IS维氏显微硬度计对试样的维氏硬度进行测试,试验力拔取

300N,保荷功夫10s,每个试样别离拔取5个分歧区域进行测试并取其均匀值。

电化学测试仪器选取上
；紺HI760e电化学工作站,试样保留有效工作面积为1cm2,通过杜国线试样背面衔接
，其余面选取环氧树脂密封。测试前顺次通过240#、600#、1000#、1500#砂纸打磨
，并使用酒精洗濯工作面
，在室温下人为仿照海水3.5%NaCl溶液中浸泡30min并吹干
，保留待用。动电位极化曲线测试选取三电极系统,Pt电极作为辅助电极、鼓和甘汞电极为参比电极(SCE)、待测试样作为工作电极。测试温度为(23±3)℃,扫描领域选择-2~3V,扫描速度选取0.01V/s,并在丈量下一试样之前更换溶液。

2、了局与分析

2.1金相描摹

图1别离为Ta含量为0%、0.2%和0.5%的三种双态组织TA23合金的金相组织照片。通过对金相组织分析可知,在一样的热加工和热处置前提下,TA23中初生α相的比例为35.5%
，TA23-0.2%Ta中初生α相的比例为53.8%,显著高于TA23。TA23-0.5%Ta中初生α相的比例有所降落,为44.4%。参与微量Ta元素后
，次生a相被“归并”
，其比例相对TA23均有所削减。进一步观察发现TA23-0.5%Ta的初生a相晶粒尺寸相较于TA23与TA23-0.2%Ta稍有增大
，且TA23中次生a相大多为扁平的条状,增长微量Ta元素后则与之前有所分歧,其次生  α相多为块状且数量显著削减。

2.2 XRD

分歧Ta含量双态组织TA23合金X射线衍射图谱如图2所示Ｄ芄豢吹
，随着Ta含量的增长
，X射线衍射谱中并没有出现新的衍射峰
，注明在双态组织TA23合金中参与少量Ta元素之后
，无新相天生。其次
，通过观察能够发现
，当Ta含量增长到0.5%时,(10-11)a的峰强度显著加强,(10-11)取向的初生α晶粒显著增多
，其(10-11)织构越来越显著。TA23的X射线衍射谱中(11-20)α的峰显著高于TA23-0.2%Ta与TA23-0.5%Ta,TA23的次生a相的比例最高
，与显微组织分析结论一致。

2.3显微硬度测试

图3为分歧Ta含量双态组织TA23合金的显微硬度Ｄ芄豢吹,合金中不参与Ta元素时硬度(HV)最高
，为337.5。随着Ta元素含量的增长
，显微硬度出现降低,当 Ta元素含量达到 0.5%时,显微硬度达到最幼,为 317.5。总体来说,随着双态组织 TA23合金中 Ta含量的增长,其显微硬度出现了轻微的降落。造成这种景象的原因是钛合金中初生  α相晶
；泼娼隙喔菀妆湫,因而相对于  β相,初生  α相较软,塑性较好  [10]。而结合显微组织观察能够发现,相对于 TA23, TA23-0.2% Ta与TA23-0.5%Ta中塑性较好的初生  α相比例显著增

多,因而 TA23-0.2%Ta与 TA23-0.5%Ta的显微硬度相对 TA23均有所降落。而 TA23-0.2%Ta中初生  α相的晶粒尺寸显著幼于TA23-0.5%Ta,凭据hall-petch公式:

其中:  σ y 为资料屈服极限;  σ 0 为移动单个位错时产生的晶格摩擦阻力;  k y 为常数; d为均匀晶粒直径。

TA23-0.2% Ta相对 TA23-0.5% Ta晶粒尺寸较幼,由于细晶强化的作用,导致TA23-0.2%Ta的初生  α相比例固然高于 TA23-0.5%Ta,但其显微硬度依然高于 TA23-0.5%Ta。其次,由于 TA23-0.2%Ta相界比例相对较高,更容易故障位错的开动,也肯定水平上提高了TA23-0.2%Ta的显微硬度  [11]。

2.4耐侵蚀机能

图 4为分歧 Ta含量双态组织 TA23合金在3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线Ｄ芄豢吹,随着 Ta含量的增长,钛合金的自侵蚀电位不休右移,当 Ta含量增长到  0.5%时,试样的自侵蚀电位最高,约为-1.09V。Ta元素含量的增长,肯定水平上提高了双态组织 TA23合金的自侵蚀电位,从而提高了钛合金侵蚀的难易水平。

进一步观察发现,在 TA23-0.2%Ta极化曲线阳极区-1.3 V左右试样产生钝化,随着电位的升高,在-1.2 V左右时自侵蚀电流密度上升,最终在-0.9 V左右时趋于不变,而TA23与TA23-0.5%Ta并未出现类活化再钝化过程  [12]。通过对动电位极化曲线Tafel区进行拟合,自侵蚀电位与自侵蚀电流密度如表 2所示Ｄ芄环⑾,随着 Ta含量的增长,试样的自侵蚀电流密度越来越幼, TA23-0.5%Ta的自侵蚀电流密度最幼,约为1.43×10_-6A/cm2,注明其侵蚀速度最慢,TA23-0.5%Ta的耐侵蚀性最强[13],这也与自侵蚀电位法规一致。

表2 分歧Ta含量双态TA23合金在人为仿照海水溶液中的电化学参数

Table 2 Electrochemical parameters of polarization curves of the TA23 alloys in simulated seawater

综上所述
，参与微量Ta元素后
，双态组织TA23合金自侵蚀电位增大、自侵蚀电流密度降落
，其耐侵蚀机能加强？赡艿脑蚴荰a元素作为易钝化合金元素
，在双态组织TA23合金中参与易钝化元

素可能使钛合金的阳极活性降低
，提高其钝化能力
，降低了自侵蚀电流密度[14]。其次
，晶界处因杂质原子偏聚而存在电位差
，易形成侵蚀原电池
，结合显微组织分析
，Ta含量达到0.5%时
，初生a相晶粒尺寸偏大
，使其晶界密度削减
，削减了侵蚀原电池的数量
，从而使其耐侵蚀机能进一步提高[15-16]。

3、结论

1)分歧Ta含量双态组织TA23初生a相比例有所分歧;参与Ta元素之后
，次生a相由扁平的条状变为块状且数量有所削减
，结合XRD测试了局可知,参与Ta元素后双态组织TA23合金中并无新相天生。

2)通过显微硬度测试发现
，TA23-0.2%Ta、TA23-0.5%Ta中塑性较好的初生a相比例大于TA23,因而显微硬度出现轻微降落。而TA23-0.2%Ta固然初生a相比例高于TA23-0.5%Ta,但TA23-0.2%Ta中初生a相晶粒尺寸相对较幼
，由于细晶强化的作用导致TA23-0.2%Ta的硬度略微高于TA23-0.5%Ta。

3)在双态组织TA23合金中参与微量易钝化的Ta元素之后
，降低了钛合金的阳极活性
，且当Ta含量达到0.5%时,初生a相晶粒尺寸增大,削减了侵蚀原电池的形成
，增长了钛合金在海水中的耐侵蚀性。

参考文件

[1] Huang Xiaoyan, Liu Bo, Li Xue. Applications of titanium alloys in warship building[J]. Southern Metals, 2005,(6):11.(黄晓艳,刘波,李雪.钛合金在舰船上的利用[J].南方金属,2005,(6):11.)

[2] Chen Fenglin, Ge Keke, Hou Chunming. Progress in welding technology of titanium alloy for naval vessels[J]. Electric Welding Machine,2019,49(8):60-65.

(陈凤林,葛可可,侯春明.舰船用钛合金焊接技术进展[J].电焊机,2019,49(8):60-65.)

[3] Jiang Peng, Wang Qi, Zhang Binbin,et al. Application of titanium alloy materials for the pressure-resistant structure of deep diving equipment[J].Strategic Study of CAE,2019,21(6):104.

(蒋鹏,王启,张斌斌,等.深海设备耐压结构用钛合金资料利用钻研[J].中国工程科学,2019,21(6):104.)

[4] Zhao Yongqing. Phase transformation and heat treatment of titanium alloys[M]. Changsha: Central South University Press,2012:12-14.

(赵永庆.钛合金相变及热处置[M].长沙:中南大学出版社,2012:12-14.)

[5] Zhang Shilin. Microstructures and mechanical properties of electron beam welded(α+β) titanium alloy[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2019.

(张仕林.(α+β)钛合金电子束焊接接头显微组织及力学机能钻研[D].岳阳:中国科学技术大学,2019.)

[6] Chen Caimin. Study on composition optimization and microstructures and properties of corrosion resistant Ti-Al-Nb-Zr-Mo alloy[D]. Haerbin: Harbin Institute of Technology,2018.

(陈才敏.耐蚀Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金的成分优化及组织机能钻研[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2018.)

[7] Xu Xiaoxiao, Qiu Shaoyu. Research progress in the application of titanium alloy to nuclear fuel reprocessing facility[J].Materials Reports,2005,19(11):57-59.

(徐潇潇,邱绍宇.Ti合金在核燃料后处置设备中的利用钻研进展[J].资料导报,2005,19(11):57-59.)

[8]Souza K, Robin A. Preparation and characterization of Ti-Ta alloys for application in corrosive media[J]. Mater Lett, 2003, 57:3010.

[9]Yang Fan. Research on microstructure and corrosion behavior of Ti-Ta alloys[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology,2015.

(杨帆.钛钽合金的组织结构与侵蚀行为钻研[D].西安:西安构筑科技大学,2015.)

[10] Yan Qian, Shu Xinzhu, Zhu Feixia, et al. A comparative study on quasistatic mechanical properties of four kinds of typical microstructure of TC11 titanium alloy at room temperature[J]. Journal of Yunnan University(Natural Sciences Edition), 2016,38(1):99-104.

(颜茜,舒鑫柱,祝菲霞,等.TC11钛合金4种典型组织静态力学机能对比钻研[J].云南大学学报(天然科学版),2016,38(1):99-104.)

[11] Lv Zhidan, Feng Hong, Zhang Shuzhi, et al. Effect of C addition on microstructure and mechanical properties of near beta titanium alloy[J].Titanium Industry Progress,2019,36(5):21.

(吕智丹,冯弘,张树志,等.C元素增长对近β钛合金显微组织及力学机能的影响[J].钛工业进展,2019,36(5):21.)

[12] He Yafeng, Lu Wenzhuang, Yu Weimin. Electrochemical corrosion behaviors of titanium alloy in different solutions[J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2017,45(6):126.

(何亚峰,卢文壮,于为民.钛合金在分歧溶液中的电化学侵蚀行为[J].华南理工大学学报(天然科学版),2017,45(6):126.)

[13] Cui Changxing. Study on the anodizing characteristics and influencing factors of titanium in sulfuric acid system[D].Kunming: Kunming University of Science and Technology,2017.

(崔昌兴.硫酸系统钛阳极氧化个性及影响成分钻研[D].昆明:昆明理工大学,2017.)

[14] Dupuis Jennifer, Chenon M, Faure S, et al. Mechanical properties and corrosion resistance of some titanium alloys in marine environment[C]//EDP Sciences,2013:01009.

[15]Cui Qiang, Yi Danqing, Wang Hongxuan, et al. Effects of grain size and secondary phase on corrosion behavior and electrochemical performance of Mg-3Al-5Pb-1Ga-Y sacrificial anode[J]. Journal of Rare Earths, 2019,37:1341-1350.

[16] Xia L D, Ji Y Z, Liu W B, et al. Radiation induced grain boundary segregation in ferritic/martensitic steels[J]. Nuclear Engineering and Engineering and Technology,2020,52(1):148-154.

（注
，原文标题：Ta元素对TA23合金显微组织及侵蚀机能的影响）