鈦合金具有比重小、比強度高、耐蝕性好等優(yōu)點，目前已成為飛機重要的結(jié)構(gòu)材料之一，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。TC4（國外牌號Ti-6Al-4V）鈦合金是最早開發(fā)的商業(yè)鈦合金，具有優(yōu)異的綜合性能和良好的工藝特性。全世界TC4鈦合金半成品的產(chǎn)量占各種鈦合金半成品總產(chǎn)量的一半以上，在航空航天工業(yè)中超過80%。目前國內(nèi)可生產(chǎn)多種規(guī)格的棒材、薄板、管材和絲材等，可批量供應(yīng)δ0.8～40mm板材。與歐美發(fā)達國家相比較，TC4鈦合金在我國無論是軍機還是民機上僅少量使用，而美國戰(zhàn)斗機F-15鈦合金的用量為27%，而第四代戰(zhàn)斗機F-22鈦合金的用量已高達41%。我國TC4鈦合金品種規(guī)格很有限，厚板規(guī)格僅到40mm，且在國內(nèi)飛機上尚未使用。隨著現(xiàn)代飛機上大型整體結(jié)構(gòu)件的日益廣泛使用，TC4鈦合金厚板具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ⒃谲娪眉懊裼蔑w機的大型整體結(jié)構(gòu)件上有著非常廣闊的應(yīng)用前景。 由于鈦合金的電位較正，與其他金屬接觸時，在腐蝕環(huán)境中容易導(dǎo)致電位較負的金屬發(fā)生電偶腐蝕，加速電位較負的金屬的腐蝕速率。為了解決鈦合金性能上的不足，近年來國內(nèi)外都加強了對鈦合金表面處理技術(shù)的研究，使用陽極氧化技術(shù)以提高鈦合金性能成為該領(lǐng)域當(dāng)前的研究熱點之一。 近幾年，國內(nèi)許多研究機構(gòu)開展了鈦及其合金與其他金屬材料組成電偶對的電偶腐蝕研究。 文中針對我國新研發(fā)的厚度為70mm的TC4鈦合金板，研究了鈦合金與鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼組成電偶對的電偶腐蝕性能，為TC4鈦合金厚板的應(yīng)用提供理論依據(jù)。 1、試驗 1.1試驗材料 試驗材料為TC4厚板鈦合金（δ70mm），化學(xué)成分（以質(zhì)量分數(shù)計）為Ti基材，Al5.50%~6.75%，V3.50%~4.50%，F(xiàn)e≤0.30%，C≤0.08%，N≤0.05%，H≤0.015%，O≤0.20%。 1.2試驗方法 電偶腐蝕試驗按HB5374—87《不同金屬電偶電流測定方法》進行，測試用陰、陽極為長100mm、寬20mm、厚2~3mm的平板試樣，表面粗糙度為0.8μm。試樣用汽油和酒精清洗干凈后在干燥器內(nèi)至少放置7天，不允許用手觸摸試樣表面。 表面處理試樣的準備：鋁合金按HB/Z233—1993的規(guī)定進行陽極氧化處理，鋁合金陽極氧化膜層厚度約為10~15μm；鋼按HB/Z107—1986規(guī)定進行低氫脆鍍鎘-鈦處理，鎘-鈦鍍層的厚度為8~12μm；TC4鈦合金厚板按Q/6SZ3069—2014的規(guī)定進行陽極氧化處理，制備測鈦合金陽極氧化膜層厚度為2~3μm。 試樣測試部分表面積約為25cm2，其余部分采用3M膠帶封蔽，封蔽后用千分尺精確測量，計算試驗實際面積，確保兩個相互配對的試樣試驗面積基本相等，面積差應(yīng)小于0.5cm2。電偶對在電解液中產(chǎn)生電偶腐蝕的敏感性主要根據(jù)電偶電流密度的大小來決定，HB5374中按平均電偶電流密度的大小將電偶腐蝕敏感性分為五級。將兩個待測試樣組成平行的電偶對，應(yīng)保證兩個試樣相互絕緣，組裝方式如圖1所示。 電解液為化學(xué)純氯化鈉與蒸餾水或去離子水配制的3.5%NaCl溶液，試驗溫度在（25±1）℃，測試時間為20h。試驗后用Quanta600環(huán)境掃描電鏡觀察試樣表面腐蝕情況。 陽極氧化膜層的制備：TC4鈦合金厚板試樣為陽極，尺寸為50mm×100mm×1.2mm，鉛板為陰極。陽極氧化槽液類型為硫酸-磷酸混酸型，試驗溫度為0~10℃，電流密度為2~5A/cm2，試驗時間為10~20min。鈦合金陽極氧化主要工藝過程為：化學(xué)除油—水洗—陽極氧化—水洗、干燥—檢驗。 2、試驗結(jié)果與分析 2.1表面處理前電偶腐蝕性能 2.1.1TC4鈦合金厚板與鋁合金 TC4鈦合金厚板與2024，2124，7050，7475鋁合金偶接后在3.5%NaCl溶液中的電偶腐蝕試驗結(jié)果見表1。可以看出，TC4厚板與鋁合金偶接形成電偶對后均有較大的電偶電流，其平均電偶電流密度分別為5.42，5.36，4.22，5.33μA/cm2。根據(jù)電偶腐蝕評價標準HB5374—87，2024，2124，050，7475等鋁合金與TC4厚板鈦合金偶接后的   電偶腐蝕敏感性均為D級。試驗后鋁合金表面都存在不同程度的腐蝕產(chǎn)物，因此，TC4厚板與2024，2124，7050，7475等鋁合金在使用中不能直接偶接，必須進行表面防護。 TC4厚板與不同鋁合金電偶電流與時間的關(guān)系曲線如圖2所示，TC4厚板鈦合金與2024，2124，7050，7475鋁合金組成的電偶對的電偶電流-時間曲線變化趨勢基本一致，總體趨勢為試驗初期電偶電流很大，隨著時間的延長電偶電流逐漸減小，試驗后期趨于穩(wěn)定。這是由于試驗初期，金屬陽極（鋁合金）新鮮表面完全暴露在電解液中，較大的電極 電位差驅(qū)動陽極金屬快速溶解。隨著試驗的進行，陽極金屬表面易于形成完整的氧化膜，同時，在陽極極化的作用下，陽極溶解的驅(qū)動力降低，從而抑制了電偶腐蝕作用，表現(xiàn)出電偶電流逐漸下降。試驗后期，陽極金屬溶解與氧化膜的形成達到一個動態(tài)的平衡，使得電偶電流趨于穩(wěn)定。 與TC4鈦合金厚板發(fā)生電偶腐蝕后2024，2124，7050，7475鋁合金表面微觀形貌如圖3所示。由圖3可知，電偶腐蝕后2024，2124，7050，7475鋁合金表面均發(fā)生了不同程度的腐蝕現(xiàn)象，腐蝕形式以點蝕為主。結(jié)合圖2曲線分析，鋁合金2024，2124，7050，7475均不能與鈦合金TC4鈦合金厚板直接接觸使用。 2.1.2TC4鈦合金厚板與鋼 TC4鈦合金厚板與30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M，A100鋼偶接，在3.5%NaCl溶液中的電偶腐蝕試驗結(jié)果見表2。TC4鈦合金厚板與30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M，A100組成電偶對時，試驗中30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M，A100鋼均為陽極，TC4鈦合金厚板為陰極。 由表2的試驗結(jié)果可以看出，TC4鈦合金厚板與30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M鋼組成的電偶對有較大的電偶電流，平均電偶電流密度分別為4.64，3.90，3.06μA/cm2，根據(jù)電偶腐蝕評價標準HB5374—87，電偶腐蝕敏感性為D級；TC4鈦合金厚板與A100鋼組成的電偶對的電偶腐蝕敏感性為A級。因此，當(dāng)TC4鈦合金厚板與30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M鋼在使用中接觸時，必須進行防護處理方可使用，而TC4鈦合金厚板與A100鋼可以直接接觸使用。 TC4鈦合金厚板與不同鋼組成的電偶對電偶電流與時間的關(guān)系曲線如圖4所示，TC4鈦合金厚板與30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M鋼組成電偶對的電偶電流-時間曲線變化趨勢基本一致，但總體趨勢為隨著時間的延長，電偶電流先增大后減小，然后逐漸趨于穩(wěn)定。TC4鈦合金厚板與A100鋼組成電偶對的電偶電流遠小于其他三種電偶對，且電偶電流在試驗時間內(nèi)較為穩(wěn)定。 30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M，A100鋼電偶腐蝕后表面微觀相貌如圖5所示。試驗過程中，30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M鋼表面均出現(xiàn)腐蝕斑點，溶液顏色變黃。隨著試驗的進行，鋼表面腐蝕斑點增多，溶液顏色逐漸加深。A100鋼試樣沒有發(fā)生明顯變化。由圖5可以看出，電偶腐蝕試驗后，30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M 鋼表面均有大量腐蝕產(chǎn)物，即發(fā)生了嚴重的腐蝕。 掃描電鏡進行的形貌分析表明，30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A鋼及300M鋼表面點蝕坑均萌生于機械加工缺陷處或表面冶金缺陷處。電偶腐蝕過程中，表面加工缺陷或冶金缺陷處因Cl-富集而易于萌生點蝕坑，蝕坑內(nèi)閉塞電池自催化效應(yīng)和TC4鈦合金厚板作為陰極材料對陽極材料的陽極極化作用，共同促進了30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A鋼及300M鋼表面局部點蝕的發(fā)展。 2.2表面處理后電偶腐蝕性能 2.2.1TC4鈦合金厚板與鋁合金 對TC4鈦合金厚板進行脈沖陽極化處理，對鋁合金進行硫酸陽極化處理后，進行電偶腐蝕試驗。 陽極化后的TC4鈦合金厚板與陽極化后的2024，2124，7050，7475鋁合金偶接后在3.5%NaCl溶液中的電偶腐蝕行為試驗結(jié)果見表3。表面處理后，TC4厚板與鋁合金偶接形成電偶對后電偶電流較小，平均電偶電流密度分別為0.54，0.60，0.59，0.57μA/cm2。根據(jù)電偶腐蝕評價標準HB5374—87，陽極化后2024，2124，7050，7475等鋁合金與陽極化后TC4鈦合金厚板的電偶腐蝕敏感性均為B級，屬于允許在一定限制條件下的接觸使用。 電偶腐蝕試驗后鋁合金表面顯微照片如圖7所示，微觀上雖然仍存在點蝕，但與陽極氧化前相比，腐蝕已很輕微，并且點蝕孔尺寸很小。這可能由于鋁合金陽極化膜在不同區(qū)域存在一些差異，部分薄弱的地方氧化膜容易溶解形成點蝕。 電偶腐蝕試驗結(jié)果顯示，脈沖陽極氧化處理可以有效降低TC4鈦合金厚板與鋁合金的電偶腐蝕敏感性。 2.2.2TC4鈦合金厚板與鋼 對TC4鈦合金厚板進行脈沖陽極化處理，對鋼進行電鍍鎘-鈦處理后，將二者偶接，測試其電偶對的電偶電流。 陽極化后的TC4鈦合金厚板與電鍍鎘-鈦的30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M鋼偶接后，在3.5%NaCl溶液中的電偶腐蝕試驗結(jié)果見表4。表面處理后，TC4鈦合金厚板與鋼偶接形成電偶對后電偶電流較小，其平均電偶電流密度分別為0.74，0.82，0.71μA/cm2。根據(jù)電偶腐蝕評價標準HB5374—87，電鍍鎘-鈦后的30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M鋼與陽極化后TC4鈦合金厚板的電偶腐蝕敏感性均為B級，屬于允許在一定限制條件下的接觸使用。 表面處理后TC4厚板-鋼的電偶電流-時間曲線如圖8所示，試驗開始后所有電偶對的電偶電流均迅速下降，并隨著試樣的進行逐步趨于穩(wěn)定。 表面處理后電偶腐蝕試驗后鋼的顯微形貌如圖9所示。由圖9可知，電鍍鎘-鈦后30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M鋼表面鍍層完整，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象。這主要是由于脈沖陽極氧化后鈦合金表面陽極氧化膜層致密，且穩(wěn)定性好，膜層具有較高的電阻，可以減小電偶電流，使得電偶電流降低維持穩(wěn)定；另一方面，由于電鍍鎘-鈦后的 30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M鋼表面的鎘-鈦鍍層具有良好的抗腐蝕性，能夠有效降低電偶電流。因此，表面處理能夠有效降低TC4鈦合金厚板與鋼的電偶腐蝕電流密度，使得二者的電偶腐蝕敏感性顯著降低。 3、結(jié)論 1）TC4鈦合金厚板與2024，2124，7050，7475鋁合金接觸形成的電偶對極易發(fā)生電偶腐蝕，不能直接接觸使用。 2）TC4鈦合金厚板與30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M鋼接觸形成的電偶對極易發(fā)生電偶腐蝕，不能直接接觸使用，TC4鈦合金厚板與A100鋼可以直接接觸使用。 3）對TC4鈦合金厚板進行陽極氧化處理，對2024，2124，7050，7475鋁合金進行硫酸陽極化處理后，可以有效降低異種材料的電偶腐蝕電流密度，降低電偶腐蝕敏感性。 4）對TC4鈦合金厚板進行陽極氧化處理，對30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，300M鋼進行無氰鍍鎘鈦處理后，可以明顯提高表面抗腐蝕性能，降低電偶腐蝕敏感性。 參考文獻： [1]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊[M].北京:中國標準出版社,1989:539.EditorialBoardofAviationMaterialsHandbookofChina.AviationMaterialsHandbookofChina[M].Beijing:StandardsPressofChina,1989:539. 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